Viele Tausend Mal strahlend lächeln

Zahncremeproduktion in Rekordmaßstab braucht massive Getriebemotoren Der Mischtechnikhersteller EKATO hat das Spitzenmodell seiner UNIMIX-Baureihe auf mehr als die doppelte Größe hochskaliert und so das weltweit größte diskontinuierliche Produktionssystem für Zahncreme realisiert. Zwei Mischer mit jeweils 10.000 Liter Nutzvolumen stellen abhängig von der Produktdichte stündlich 6.000 bis 11.000 kg Zahnpasta her. Der Ausstoß wurde damit sogar mehr als verdreifacht. Die Entwicklung der neuen Rekordanlagen begleitete der Antriebslieferant NORD DRIVESYSTEMS.

Viele global agierende Hersteller sind bestrebt, Produktionskapazitäten an einigen wenigen Standorten zu konzentrieren. Auch die Hygiene- und Pflegemittelindustrie kennt diesen Trend, sodass die Anforderungen an die Chargengrößen für Produkte wie Zahnpasta kontinuierlich zunehmen. Zudem steigt die Anzahl der an einem Standort produzierten Produktvarianten. Moderne Anlagen müssen daher in der Lage sein, große Mengen bei maximaler Flexibilität herzustellen. Mit dieser komplexen Aufgabenstellung hat die EKATO SYSTEMS GmbH aus Schopfheim am Südrand des Schwarzwalds im Auftrag eines Zahncremeherstellers eine neue Anlage für die diskontinuierliche Produktion von Zahncreme entwickelt.

Der bisherige Stand der Technik

Die maximale Kapazität von Zahncremeproduktionsanlagen lag bisher zwischen 4.000 und 5.000 Liter, der Ausstoß bei ca. 2.000 bis 3.000 Liter pro Stunde. Die Branche unterscheidet zwischen der kontinuierlichen und der chargenweisen Produktion. Kontinuierliche Anlagen ermöglichen einen großen Durchsatz, sind allerdings in Bezug auf Produktwechsel wenig flexibel, da unterschiedliche Inhaltsstoffe teilweise eine eigene Dosier- und Mischtechnik erforderlich machen, sodass bei Rezepturänderungen Umbauten und Neujustierungen anstehen. Zudem lässt sich Zahncreme z.B. bei unzureichender Homogenität nur schwer nacharbeiten. Die größte Herausforderung beim Betrieb kontinuierlicher Anlagen ist es, auch bei Änderungen an den Dosiersystemen eine gleichbleibende Verteilung von Wirkstoffen wie Natriumfluorid zu gewährleisten. Andererseits lässt sich die Produktionsrate diskontinuierlicher Anlagen mit bis dato verwendeten Techniken ohne eine wesentliche Modifikation der Anlagenperipherie nicht mehr signifikant erhöhen. Für den aktuellen Auftrag musste EKATO daher größere Anlagen konstruieren.

Anlagenaufbau

Im Wesentlichen besteht eine Anlage zur Herstellung von Zahncreme aus einem evakuierbaren Kessel mit Rührwerk, einem Homogenisator, der das Produkt zur gewünschten Feinheit homogenisiert, sowie aus verschiedenen Dosiersystemen zum Einbringen von Rohstoffen. Die flüssigen Rohstoffe werden entweder in vorgewogenen Mengen über Vakuum in den Kessel gesaugt oder über gravimetrische Methoden eindosiert. Pulverförmige Stoffe oder Verdicker zur Viskositätssteigerung können über den integrierten Homogenisator eindosiert oder über ein Bodenventil in den Kessel gesaugt werden.

     

Bilder 2, 3: EKATO konstruiert für jedes Produkt das passende Rührwerk.

Komplexe Berechnungen für das Scale-up

Für die größere Dimensionierung der Mischer musste EKATO die Einzugs- und Einarbeitungszeiten der Komponenten, Mischzeiten, Homogenisierzeiten, Vakuumwerte sowie die benötigten Leistungen für Rührwerk und Homogenisator ermitteln. Die Auslegung der Antriebsleistungen für Rührwerk und Homogenisator erfolgte mit der Leistungsgleichung der Rührtechnik:

P = Ne - p - n³ - d⁵ für turbulente Strömung bzw.

P = Ne - p - n² - d³ - n für laminare Strömung.

Den Leistungsbeiwert „Ne“ (oder Newton-Zahl) bestimmt EKATO auf Basis umfangreichen Erfahrungswissens für das jeweilige Rührorgan und das Produkt mit seiner spezifischen Viskositätskurve. Neben der Produktdichte  fließen ferner die Drehzahl und der Durchmesser in die Leistungsberechnung ein – mit den Exponenten 2, 3 bzw. 5 sind diese Werte besonders wichtig. Die korrekte Dimensionierung der Rührwerks- und Homogenisatorantriebe ist also maßgeblich. Die Anforderung an den Antriebslieferanten NORD war, passend für die berechneten Leistungen Motor und Getriebe möglichst effizient und langlebig zu konfigurieren. Da der Rührwerksantrieb oben auf dem Produktionsmischer sitzt, sollte der Antrieb trotz der großen erforderlichen Leistungen möglichst kompakt sein.

Mannshohe Rührwerksantriebe

In dieser Anwendung, in der es auf eine homogene Produktqualität ankommt, sind Schnelligkeit und Kontinuität gefragt. Auf die Rührwelle wirken aufgrund der hohen Viskosität des Produkts sehr hohe Quer- und Axialkräfte, die bei der Antriebsauslegung beachtet werden müssen. NORD DRIVESYSTEMS konfigurierte zwei Industriegetriebemotoren mit 250 kW Leistung und einem Nenn-Abtriebsmoment von 242.000 Nm. NORD ist der einzige Hersteller, der Industriegetriebe dieser Leistungsgröße mit einteiligem Blockgehäuse baut. Die 3-stufigen Kegelstirnradgetriebe des Typs SK 15407 konnten daher trotz ihrer beeindruckenden Größe relativ kompakt ausgeführt werden. Die Blockgehäusebauweise ermöglicht den Einsatz größerer Wälzlager und damit die Aufnahme größerer Kräfte.



Bild 4: Die Getriebemotoren von NORD DRIVESYSTEMS werden den Rekordmaßen der Anlage gerecht: Kein anderer Antriebshersteller ist derzeit in der Lage, Industriegetriebe mit so großen Leistungen im Blockgehäuse zu bauen.

Fazit

Die zwei neuen Produktionsanlagen mit jeweils 10.000 Liter Nutzvolumen können je nach Produktdichte 12.000 bis 16.000 kg Zahncreme pro Ansatz herstellen. Dabei liegt der Produktausstoß zwischen 6.000 und 11.000 kg pro Stunde, im Vergleich zu 2.000 bis 3.000 Liter, die sich auf der bisher größten Anlage produzieren ließen. Dies entspricht einer Steigerung der Produktionsrate auf das Drei- bis Vierfache. Die Vorgaben des Produzenten wurden damit nicht nur erfüllt, sondern sogar übertroffen. Zusätzlich ermöglicht das kompakte Design eine optimale Nutzung der Produktionsflächen. Für die Antriebstechnik gilt derselbe Anspruch wie für die Rührtechnik: Sie soll zuverlässig und ohne Wartungsaufwand arbeiten.

Kasten: Industriegetriebe im Blockgehäuse

Die aktuell in acht Baugrößen erhältliche, mit Blockgehäusen ausgestatteten Industriegetriebe-Serie von NORD DRIVESYSTEMS umfasst sowohl kleinere Einheiten mit Drehmomenten ab 25.000 Nm als auch große Modelle bis 242.000 Nm. Jeweils ein Standardgehäuse pro Baugröße deckt den kompletten Übersetzungsbereich ab. Ein sehr flexibles Baukastensystem bietet Anwendern vielfältige Optionen, die individuell benötigte Ausführung schnell und einfach passend zu konfigurieren. Falls gewünscht, stellt NORD für Nutzer komplette Antriebsstränge zusammen, inklusive Motorschwingen mit Getriebe und Motor sowie Optionen wie etwa Bremsen, Turbokupplungen, Lüftern und Hilfsantrieben.
Selbst die größten Industriegetriebe werden nach dem NORD-Blockgehäuse-Konzept hergestellt: Alle Lagerstellen und Dichtflächen werden in einer einzigen Aufspannung auf modernsten CNC-Maschinen gefertigt. Die Vorteile dieser Konstruktionsweise sind sehr hohe Zuverlässigkeit, optimale Dichtigkeit, sichere Aufnahme selbst größter Abtriebsdrehmomente, hohe Axial- und Radialbelastbarkeit, geräuscharmer Lauf, geringer Wartungsbedarf und eine besonders lange Lebensdauer.



Bild 5: NORD fertigt Industriegetriebe im Blockgehäuse für Drehmomente von 25.000 Nm bis 242.000 Nm. Das Baukastensystem bietet vielfältige Konfigurationsoptionen.

     

Bilder 6, 7: Die Autoren sind Alexander Lukas (li.), Leiter Forschung & Entwicklung bei EKATO SYSTEMS, und Peter Dittmers (re.), Geschäftsführer Deutschland, NORD DRIVESYSTEMS.

Autoren:
Alexander Lukas, Leiter Forschung & Entwicklung bei EKATO SYSTEMS, und
Peter Dittmers, Geschäftsführer Deutschland, NORD DRIVESYSTEMS

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