In-line Mischung von flüssigen Mehrkomponentenprodukten

In-line Mischtechnik liefert sichere Ergebnisse

Die In-line Mischung von Flüssigkeiten bietet eine Anzahl gravierender Vorteile gegenüber der traditionellen Chargenmischung insbesondere wenn nach dem Mischprozess eine direkte Verarbeitung (z. B. Abfüllung) erfolgen kann. Durch die Kombination aus hochgenauen Messgeräten, digital arbeitenden Reglern und hochwertigen Regelorganen sowie ausgefeilten Überwachungen ist die In-line Mischung eine ideale Methode zur Herstellung von Mehrkomponentenprodukten, sofern eine Mindestansatzgröße gegeben ist. Da die manuelle Analyse der abgefüllten Produkte nur stichprobenartig erfolgen kann, ist die stetige automatische Überwachung der Anlage mittels On-line Prozessanalysegeräten anzuraten. Es muss also ein Höchstmaß an Sicherheit berücksichtigt werden, vornehmlich bei hohen Ansprüchen an die Qualität sowie bei der Verarbeitung von teuren Produkten, bei denen Produktverluste unbedingt vermieden werden müssen.

Verfahren

Bei der In-line Mischung werden flüssige Komponenten kontinuierlich bereits in der Rohrleitung auch bei wechselndem Gesamtdurchfluss in einem konstanten Verhältnis gemischt. Sie ermöglicht eine genaue Mischung von nahezu beliebig vielen Komponenten. Lediglich der Aufwand und der Preis setzen hier Grenzen

Überwiegend werden bei der Getränkeproduktion die großen Komponenten, z. B. Wasser, Zuckerlösung und Fertigsirup, durch externe Pumpen der Anlage zugefördert. Um Produktverluste gerade bei teuren Konzentraten und Grundstoffen zu minimieren, sollten Container bzw. Behälter dicht an der Anlage positioniert sein. Der Zufluss zur Anlage erfolgt bevorzugt mit freiem Gefälle. Die Förderung in die Mischleitung erfolgt nach der Entlüftung mittels Kreiselpumpen bzw. Verdrängerpumpen, die auf der Anlage integriert sind.

Bei allen Komponenten mit der Gefahr von Lufteinschlägen sind unbedingt Entlüftungsgefäße erforderlich. Sie haben folgende Funktionen:

Abscheidung von ggf. mitgeführter Luft,
automatische Umschaltung in der Produktzuführung, wenn ein Behälter bzw. ein Container leer wird,
Meldung von Produktmangel und Stopp der Anlage,
regelmäßige automatische Prüfung der Durchflussmesser im Konzentrat-/Grundstoffbereich.

Alle Mengen der Flüssigkeitsströme werden laufend durch die Durchflussmesser erfasst und an die Anlagen-Steuerung und -Regelung weitergegeben. Die Erfassung sollte über die Impulsausgabe der Durchflussmesser (also digital) erfolgen. Der Vorteil besteht darin, dass diese Ausgänge beim Lieferanten und beim Kunden präziser geprüft werden können als die Analogausgänge der gleichen Geräte. Damit ist auch die Nachkalibrierung vor Ort einfacher und genauer. Der Regler vergleicht die Messwerte mit den vorgegebenen Mischungsverhältnissen zwischen den einzelnen Komponenten und steuert die Regelorgane so, dass die Vorgabewerte genau eingehalten werden.

Durch richtige Auswahl der Durchflussmesser lassen sich die verschiedensten Verhältnisbereiche realisieren. Durchflüsse von 2 l/h bis 120.000 l/h je Komponente sind in der Getränkeindustrie realistisch und möglich. Extreme Verhältnisbereiche können abgedeckt werden

Vorteile der In-line Mischung

Die In-line Mischung bietet dem Anwender eine große Anzahl von Vorteilen:

direkte Verarbeitung der Rohprodukte, dadurch
schnelle Verfügbarkeit des Produkts,
geringe Produktbestände in der Anlage,
keine großen Mischtanks erforderlich, dadurch
wenig Platzbedarf, Realisierung auf engstem Raum,
Einsparung von umbautem Raum,
schnelle Reaktion auf Änderungen des Produktionsplans möglich.

Die Investition allein für die In-line Mischanlage ist in der Regel höher als für eine Chargenmischanlage, doch unter Berücksichtigung aller o. g. Punkte kehrt sich das Verhältnis meist um.

Teilansicht aus einer In-line Mischanlage für 9 Komponenten, im Vordergrund die Entlüftungs- und Prüfgefäße.

Komponenten

Wichtigste Voraussetzung für eine hochgenaue Mischung ist die Verwendung von exakten und zuverlässigen Durchflussmessern. Die Toleranz des Durchflussmessers geht direkt in das Mischergebnis ein. Bei hochwertigen Produkten darf deshalb hier kein Kompromiss eingegangen werden. Messtoleranzen von 0,1% bis 0,25% vom Messwert im Durchflussbereich von 10 - 100 % sind mit sehr guten Durchflussmessern zu erreichen. Die Reproduzierbarkeit liegt etwa um Faktor 2 niedriger.

Je nach Produkteigenschaften und Durchflüssen wird das geeignete Gerät ausgewählt. Weiterhin ist die Entscheidung für Volumen- oder Masse-Durchflussmesser abhängig vom Verfahren (basieren Rezepte z.B. auf Volumen oder Masse?) und ggf. von erforderlichen Zusatzfunktionen (z.B. Dichtemessung).

Detailansicht einer Anlage für 8 Komp. mit Masse-Durchflussmesser

Die Regelventile finden Anwendung, wenn die Förderung des Produkts mittels Kreiselpumpe oder einer Druckvorlage im Vorratstank erfolgt. Die Regelventile sind mit pneumatischem Antrieb und I/P-Stellungsregler ausgerüstet. Durch eine änderbare Querschnittsveränderung im Regelventil erreicht man die Einstellung des Durchflusses entsprechend der Reglervorgabe.
Positive Pumpen mit Frequenzumformer werden vornehmlich eingesetzt bei viskosen Produkten und bei Produkten mit Fruchtanteilen, wenn besonders schonende Förderung erforderlich ist. Da bei diesen Pumpen eine Drosselung des Förderstroms nicht erlaubt ist, wird mit Hilfe des Reglers über einen Frequenzumformer die Drehzahl der Pumpe so verändert, dass das gewünschte Mischungsverhältnis erreicht ist. In allen Komponenten muss sichergestellt werden, dass kein Rückfluss auftreten kann. Für die homogene Vermischung von Produkten mit sehr unterschiedlichen oder hohen Viskositäten werden dynamische Mischer der Anlage nachgeschaltet. Der dynamische Mischer ist ein motorgetriebenes Rührorgan, eingebaut in einer Rohrerweiterung. Bei niedrigen Viskositäten wird ein statischer Mischer verwendet, in dem durch Umlenkbleche große Turbulenzen in der Flüssigkeit erzeugt werden.

Auf einen Mischer kann verzichtet werden, wenn nachgeschaltete Aggregate (Pumpe, Erhitzer, usw.) oder eine lange Rohrleitung eine gute Vermischung sicherstellen.
Der komplette Aufbau der Anlage auf einen Grundrahmen empfiehlt sich, denn er reduziert wesentlich den Aufwand bei der örtlichen Montage. Auch der Schaltschrank mit den wichtigsten Mess-, Steuer- und Regeleinrichtungen sollte komplett verdrahtet bereits aufgebaut sein. Dies verkürzt die Inbetriebnahmezeit und das Risiko von Produktverlusten, da die meisten Funktionen bereits im Herstellerwerk getestet werden können.

Anlagensteuerung und -regelung

Eine weitere wichtige Voraussetzung für hohe Produktqualität ist ein hochwertiger Regler. Ein digitaler Regler, speziell auf In-line Mischanlagen abgestimmt, und bietet folgende Vorteile:

Eingänge für Mengenimpulse ermöglichen eine impulsgenaue Regelung ohne zusätzliche Fehler durch Signalumwandlung,
kurzfristige Fehler werden komplett ausgeregelt, d.h. eine Abweichung in positiver Richtung, z. B. hervorgerufen durch eine plötzliche Druckerhöhung in einer Komponente, wird in kurzer Zeit durch eine Korrektur in negativer Richtung total kompensiert.

Die o. g. Punkte sind wesentliche Entscheidungskriterien zum Einsatz eines digitalen Reglers insbesondere bei hohen Ansprüchen an gleich bleibende Qualität und beim Mischen von teuren Produkten.

Die Speicherung von Rezepten ist inzwischen selbstverständlich. Darin enthalten sein sollten aber nicht nur die Mischungsverhältnisse, sondern auch Sollwerte für die Analyse, Grenzwerte für Überwachungen und ggf. Regelparameter (wichtig bei sehr unterschiedlichen Mischungsverhältnissen), um variabel auf alle Änderungen reagieren zu können. Die Eingabe von Mengen je „Einheit“ und Komponente in den Rezeptspeicher vereinfacht die Bedienung und nachträgliche Prüfung der Rezepte. Aus diesen Daten errechnet sich die Steuerung automatisch die Mischungsverhältnisse.

Neben der eigentlichen Reglerfunktion für die Verhältnisregelung und den Steuerfunktionen hat die Anlagensteuerung bei Bedarf noch folgende Aufgaben:

Automatische Korrektur des Mischungsverhältnisses zwischen Zuckerlösung und Wasser bei schwankendem Brix in der Zuckerlösung,
Laufende Korrekturberechnungen z.B. zur Temperatur-Kompensation bei der Mischung von Komponenten mit großem Temperatur-Ausdehnungskoeffizienten (nicht erforderlich bei Verwendung von Masse-Durchflussmessern),
Berechnung der Mischungsverhältnisse aus produktspezifischen Werten,
Überwachung der Anlage (siehe unten),
Protokollierung des Betriebsablaufes und der Prozessdaten,
Verriegelung von Sollwerten, Regelparametern usw. vor unberechtigtem Zugriff,
Steuerung für das Vorschieben und Ausschieben des Produkts, so verlustarm wie möglich, sowie für das Reinigen der Gesamtanlage oder von Teilbereichen.

Überwachungen

Auf hohe Sicherheit bei der Herstellung der Produkte muss besonderer Wert gelegt werden. Folgende Maßnahmen werden empfohlen:

Entlüftung: Entlüftungsgefäße verhindern, dass Lufteinschläge im Produkt bleiben, mitgemessen werden und so zu Fehldosierungen führen.

Produktmangel: Sonden in den Entlüftungsgefäßen stoppen die Förderung bei Produktmangel. Der Ausfall einer Sonde darf nicht zu Fehlfunktionen führen und muss von der Steuerung erkannt werden.

Rohstoffüberwachung: Mittels Leitfähigkeits- oder Dichtemessung können die Konzentrate bzw. Grundstoffe auf Verwechslungen und/oder Einhaltung ihrer Spezifikation geprüft werden. Insbesondere bei wechselnden Produkten oder Container-Anschlüssen ist diese Maßnahme wichtig.

Funktion der Durchflussmesser: Durchflussgrenzwerte werden für jede Komponente gespeichert. Sobald eine fehlerhafte Funktion vorliegt (z. B. Ausfall eines Durchflussmessers, ein Regelventil öffnet nicht oder öffnet voll), schaltet die Anlage ab.

Überwachung der Regelabweichung: Regelabweichungen müssen innerhalb kürzester Zeit ausgeglichen sein. Sofern das aus irgend einem Grund nicht möglich ist (Regelventil oder Pumpe defekt, Wasserdruck zu hoch usw.), geht die Anlage in Störung.

Prüfgefäß: In regelmäßigen Abständen werden die Durchflussmesser automatisch auf Genauigkeit geprüft. Dazu wird der bekannte Inhalt im Entlüftungs- und Prüfgefäß mit der gemessenen Menge verglichen. Zu große Abweichungen führen zur Störungsmeldung.

Grenzwertüberwachung: Messwerte und Stellgrößen müssen innerhalb vorgegebener Grenzen liegen.

Rührwerks-Überwachung: Rührwerke müssen bereits vor dem Start des Mischvorgangs geraume Zeit angesteuert sein. Auch Produkte in den Entlüftungsgefäßen müssen vor der Produktion gemischt werden, um auch nach längerem Stillstand ein homogenes Gemisch zu erzeugen.

Funktionskontrolle: Ventile und Pumpen.

Kontroll- und Analysegeräte

Zur Qualitätskontrolle empfiehlt sich eine Analyse des gemischten Produkts. Sie kann in einem der Mischanlage nachgeschalteten Puffertank oder in der Rohrleitung vorgenommen werden. Voraussetzung für ihren Einsatz ist eine bereits gut erfolgte innige Vermischung der Komponenten. Je nach Produkt werden eingesetzt:

Brixmessung: Sie erfolgt mittels Dichte- oder Refraktometer-Messung für die Kontrolle von zuckerhaltigen Getränken. Fehldosierungen von Zuckerlösung und Wasser werden schon bei kleinen Abweichungen erkannt. Aber auch Fehldosierungen von Konzentraten mit höherer Dichte führen zu Änderungen des Messwerts.

Konzentrations-Messung: Für Light-Getränke können beide o.g. Messprinzipien verwendet werden. Da sich die Dichte oder der Refraktionsindex nicht wesentlich von Wasser unterscheidet, ist eine getränkespezifische Kalibrierung für jedes Getränk notwendig und wird im Rezept gespeichert. Abweichungen vom Sollwert größer 1,5 - 2% werden signalisiert.

Leitfähigkeitsmessung: Sie dient der Kontrolle des Säuregehalts.

CO2-Messung: Für karbonisierte Erfrischungsgetränke, Bier und Bier-Mischgetränke z.B. mittels DI-Traco-Gerät mit einer Messtoleranz <0,1 g/l.

Alkohol- oder Stammwürze-Messung: Für Bier-Mischgetränke und Alkopops z.B. mittels DI-Check-Ultraschallmessgerät, ggf. kombiniert mit einer Dichtemessung.

Weitere physikalische Größen: pH-Wert, Viskosität, Trübung und Farbe werden zur Überprüfung des Produkts verwendet.

Die Messwerte werden genutzt für Alarmmeldungen und zum Stopp der Anlage bei zu großen Toleranzen oder ggf. für Korrekturen des Mischungsverhältnisses.

Zusammenfassung

Durch die Verbesserung der Messtechnik und Erhöhung der Zuverlässigkeit insbesondere der Analyse-Geräte ist die In-line Mischtechnik auch für komplexe Aufgaben bestens geeignet und liefert bei Berücksichtigung der erwähnten Sicherheitsfunktionen hervorragende und sichere Ergebnisse. Auch aus finanzieller Sicht ist eine In-line Mischanlage durchaus lohnend, wenn die sonst ggf. nötig werdenden Investitionen für Gebäude und Tanks mit betrachtet werden. Schnelle Verfügbarkeit des Produkts und kurze Reaktionszeiten auf Produktionsplan-Änderungen sind weitere wichtige Entscheidungskriterien für diese Mischtechnik.

In-line Mischanlagen werden erfolgreich verwendet bei der Herstellung vieler flüssiger Mehrkomponentenprodukte wie Erfrischungsgetränke, Säfte, Spirituosen, Biermischgetränke, aber auch für Produkte wie flüssige Reiniger, Shampoos, Waschmittel usw.

Der Autor:
Gerhard Krüger, geb. 1944 in Hameln; 1967 bis 1971 Studium der Elektrotechnik in Hannover; 1971 bis 1975 Vertriebsingenieur bei Siemens im Bereich Mess- und Prozesstechnik; seit 1975 Projektingenieur in Konstruktion und Vertrieb im Bereich Nahrungsmittel und Getränke bei GEA Diessel GmbH in Hildesheim.

Veröffentlicht in: GETRÄNKEINDUSTRIE 8/2005

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