Funktionsweise eines Wirbelschichttrockners

Stell dir eine Portion feuchtes Pulver vor, das auf einer Metallplatte mit winzigen Löchern liegt. Stell dir nun vor, wie heiße Luft mit solcher Wucht durch diese Löcher nach oben gedrückt wird, dass sich das Pulver von der Platte löst und in der Luft schwebt. Die Körner prallen aneinander, wirbeln und taumeln. Das gesamte Bett bläht sich auf und bewegt sich wie ein Topf Suppe, der in voller Kochphase ist. Die feuchten Partikel zirkulieren so lange durch diesen Heißluftstrom, bis die Feuchtigkeit vollständig verdunstet ist.

Das ist, in etwa 60 Wörtern, eine Wirbelschichttrockner bei der Arbeit. Ein einfaches Konzept. Doch der dahinterstehende Prozess umfasst mehrere Schritte, die alle genau aufeinander abgestimmt sein müssen, sonst wird das Produkt zu feucht, zu trocken, verbrannt oder klumpig.

Die Luft vorbereiten

Nichts kommt mit dem Produkt in Berührung, bevor die Luft aufbereitet wurde. Ein Gebläse saugt Umgebungsluft aus der Anlage an, die direkt durch eine Filterbank geleitet wird. Die Filter fangen Staub, Fasern, Insekten, Pollen und alles andere auf, was in der Luft schwebt. Pharma- und Lebensmittelbetriebe treiben die Filterung bis auf HEPA-Niveau, denn schon ein einziges Partikel von außen, das in die Charge gelangt, kann eine zurückgewiesene Charge und ein sehr unzufriedenes Qualitätsteam bedeuten.

Nach der Filterung strömt die Luft durch einen Erhitzer. In großen Anlagen kommen meist Dampfschlangen zum Einsatz. Kleinere Anlagen oder Anlagen im Labormaßstab werden mit elektrischen Heizelementen betrieben. Je nachdem, welche Brennstoffquelle für die Anlage am kostengünstigsten ist, gibt es auch Anlagen mit Thermoöl oder gasbefeuerten Systemen.

Wie heiß die Luft wird, hängt ganz davon ab, was getrocknet wird. Ein robustes chemisches Salz verträgt 120 °C oder mehr, ohne dass es ihm etwas ausmacht. Eine Vitaminmischung oder ein Enzym hingegen kann bereits bei Temperaturen über 50 °C zerfallen. Die Wahl der falschen Einlasstemperatur ist einer der schnellsten Wege, eine Charge zu ruinieren, daher verbringen die Bediener viel Zeit damit, diese vor Produktionsbeginn genau einzustellen.

Die Platte, die die Luft verteilt

Zwischen der Luftzufuhr unten und dem Produkt oben befindet sich eine flache Platte mit Hunderten von Bohrlöchern. Manche nennen sie Verteilerplatte. Andere bezeichnen sie als Luftplatte oder Gitter. Wie auch immer man sie nennt, ihr Zweck ist klar: Sie nimmt den konzentrierten Heißluftstrom aus dem Heizelement auf und verteilt ihn so, dass jeder Quadratzentimeter des darüber liegenden Bettes den gleichen Luftstrom erhält.

Wenn die Platte ihre Aufgabe gut erfüllt, hebt sich das gesamte Pulverbett gleichmäßig an. Ist dies nicht der Fall, schwimmt eine Seite des Bettes, während die andere Seite fest aufliegt. In diesen toten Zonen trocknet das Material nur langsam. Dort bilden sich Klumpen. Die Charge weist am Ende statt eines einheitlichen Feuchtigkeitswerts eine Streuung der Feuchtigkeitswerte auf, was zu Folgeproblemen führt.

Die Ausführungen der Platten variieren. Gerade Bohrungen stellen die Grundausführung dar. Abgewinkelte oder gerichtete Bohrungen erzeugen im Inneren des Trocknerbetts ein wirbelndes Luftströmungsmuster, das das Produkt stärker durchmischt und die Trocknungszeit verkürzen kann. Welche Ausführung in einem Betrieb zum Einsatz kommt, hängt vom Produkt ab und davon, was der Trocknerhersteller für die jeweilige Maschine empfohlen hat.

Die Fluidisierung an sich

Bei geringer Luftgeschwindigkeit bleibt das Pulver einfach auf der Platte liegen. Luft dringt durch die Lücken zwischen den Körnern, aber es bewegt sich kaum etwas. Dreht man das Gebläse auf, beginnt sich das Bett zu verschieben. Die Körner wackeln und ordnen sich neu an. Macht man weiter, hebt sich plötzlich das gesamte Bett. Die Körner trennen sich, schweben frei und beginnen, in der Luft miteinander zu kollidieren. Das Bett dehnt sich aus und verhält sich wie eine dicke, brodelnde Flüssigkeit.

Es gibt eine bestimmte Luftgeschwindigkeit, bei der der Aufwärtsdruck der Luft das Gewicht der Körner, das sie nach unten zieht, genau ausgleicht. Unterhalb dieser Geschwindigkeit findet keine echte Fluidisierung statt. Oberhalb dieser Geschwindigkeit öffnet sich das Bett schnell. Die meisten Betreiber streben einen Wert an, der etwa das 1,5- bis 3-fache dieses Schwellenwerts beträgt. Der Betrieb in diesem Bereich sorgt für eine starke Durchmischung, ohne dass Körner in die Abluftkanäle geschleudert werden.

Warum trocknet die Fluidisierung Dinge so viel schneller als beispielsweise ein Etagentrockner? Der Kontakt. Ein Etagentrockner trocknet das Produkt in einer ruhenden Schicht. Nur die oberste Schicht kommt mit der heißen Luft in Berührung. Alles darunter muss warten, bis es an der Reihe ist. Ein Fließbett wirft jedes einzelne Korn immer wieder durch den heißen Luftstrom – hunderte Male pro Minute. Nichts bleibt verborgen. Nichts bleibt in einer stagnierenden Tasche liegen. Ein Vorgang, der bei einem Bandtrockner 8 Stunden dauert, kann in einem Fließbett in 20 Minuten erledigt sein.

Wie das Wasser aus dem Produkt austritt

Das Trocknen in einem Wirbelbett verläuft in zwei unterschiedlichen Phasen, die sich in ihrem Verhalten stark voneinander unterscheiden.

Zu Beginn sind die Getreideoberflächen noch feucht. Heiße Luft strömt darüber hinweg, und das Wasser verwandelt sich fast schon beim Kontakt in Dampf. Die Luft trägt diesen Dampf ab, wird durch weitere heiße Luft ersetzt, und der Kreislauf setzt sich fort. Solange die Oberfläche feucht bleibt, verläuft die Trocknung gleichmäßig und stetig. In älteren Lehrbüchern zur Trocknung wird dies als Phase der konstanten Trocknungsrate bezeichnet, in der die Oberflächenfeuchtigkeit schnell abgebaut wird.

Dann trocknet die Oberfläche aus. Das leicht zugängliche Wasser ist verschwunden. Was übrig bleibt, ist tiefer im Holz eingeschlossen, gefangen in winzigen Poren und Kanälen. Um es herauszubekommen, muss das Wasser langsam nach außen an die Oberfläche wandern, und erst dann kann es verdunsten. Der gesamte Prozess verlangsamt sich erheblich. In Lehrbüchern wird dies als Phase der abnehmenden Verdunstungsrate bezeichnet, und der größte Teil der gesamten Trocknungszeit vergeht hier damit, darauf zu warten, dass das eingeschlossene Wasser nach außen kriecht.

Die Bediener beobachten die Abluftfeuchte, um festzustellen, an welcher Stelle der Chargenlauf sich auf dieser Kurve befindet. Bleibt die hohe Feuchtigkeit konstant? Dann befindet sich die Charge noch im Bereich mit konstanter Abnahme, und das Oberflächenwasser entweicht schnell. Beginnt die Feuchtigkeit zu sinken? Dann ist der Bereich mit fallender Abnahme erreicht. Der einfache Teil ist geschafft, und nun arbeitet sich der Trockner durch die tiefsitzende Feuchtigkeit. Die Feuchtigkeit pendelt sich auf einem niedrigen Wert ein und verändert sich nicht mehr? Dann ist die Charge fertig oder fast fertig.

Auf dem Weg nach draußen Staub ansammeln

Die Luft, die oben aus dem Trockner austritt, ist nicht sauber. Sie hat zwar Wasserdampf aus dem Produkt aufgenommen, aber auch feine Partikel, die bei dem turbulenten Mischen aufgewirbelt wurden. Diese Feinpartikel dürfen das Gebäude nicht verlassen. Sie stellen Produktverlust dar und bedeuten in der Pharma- oder Lebensmittelindustrie zudem ein Kontaminations- und Sicherheitsrisiko.

Im oberen Bereich des Trockners hängende Gewebefilterbeutel fangen den größten Teil des Staubs auf. Die Abluft strömt durch die Beutel, Feinstaub haftet am Gewebe, und saubere Luft tritt an der Rückseite aus. Mit der Zeit füllen sich die Filtertaschen mit Staub und behindern den Luftstrom. Moderne Trockner beheben dies durch eine Puls-Jet-Reinigung. Ein kurzer Druckluftstoß wird zeitgesteuert rückwärts durch jede Filtertasche geleitet, wodurch der angesammelte Staubkuchen vom Gewebe abgelöst wird und zurück in das Produktbett fällt. Dies hält den Druckabfall stabil und den Luftstrom während des gesamten Betriebs konstant.

In der Pharma- und Lebensmittelindustrie kommen weitere Anforderungen hinzu. Antistatische Beutelmaterialien für Produkte, die Funken bilden können. HEPA-Filter am Endauslass. Drucksensoren, die die Filterbank überwachen und Alarm auslösen, wenn der Druckabfall über den Beuteln auf ein kritisches Niveau ansteigt.

In Stapeln ausführen

In den meisten pharmazeutischen Betrieben werden Fließbetttrockner im Chargenbetrieb betrieben. Die gesamte Charge des feuchten Produkts wird auf einmal eingefüllt. Das Gebläse startet, die Heizung hat bereits die richtige Temperatur erreicht, und das Bett hebt sich an. Die Bediener überwachen während des gesamten Vorgangs die Betttemperatur, die Abluftfeuchte und den Luftstrom. Wenn die Feuchtigkeitsmesswerte anzeigen, dass das Produkt fertig ist, wird die Luftzufuhr abgeschaltet und das getrocknete Material fällt durch ein Ventil oder eine Kippschale heraus.

Die Durchlaufzeiten variieren stark. Eine kleine Laborcharge eines schnell trocknenden Granulats kann in 15 Minuten fertig sein. Eine Produktionscharge in voller Größe eines schwer zu verarbeitenden, feuchtigkeitsreichen Pulvers kann hingegen über eine Stunde dauern. Das Material, die Chargengröße und die Einlauftemperatur beeinflussen die Dauer.

Die Pharmaindustrie schätzt den Chargenbetrieb, weil die Rückverfolgbarkeit dadurch klar und übersichtlich ist. Eine Charge, ein Behälter, ein Satz Aufzeichnungen. Ein Problem in Charge 47 bleibt auf Charge 47 beschränkt. Es gibt keine Auswirkungen auf die nächste Charge.

Nonstop laufen

Lebensmittel- und Chemieanlagen, die große Mengen verarbeiten, arbeiten stattdessen oft im Dauerbetrieb. Das feuchte Material wird an einem Ende eines langen, flachen Wirbelbetts zugeführt. Es durchläuft die gesamte Länge der Maschine und passiert dabei Zonen, die auf unterschiedliche Temperaturen eingestellt sind. Der vordere Bereich ist heiß und entzieht der Oberfläche Feuchtigkeit. In den mittleren Zonen lässt die Hitze nach. Am hinteren Ende wird möglicherweise kühle Luft eingeblasen, um die Produkttemperatur zu senken, bevor das Produkt am Ende in einen Auffangbehälter fällt.

Manche Durchlauftrockner nutzen Vibrationen, um das Produkt weiterzubefördern. Das gesamte Bett schüttelt sich sanft und befördert das Material so vom Einlauf zum Auslauf. Andere nutzen die Schwerkraft oder den Druck der Fluidisierungsluft selbst, um den Materialfluss in die richtige Richtung zu lenken.

Kein Warten. Kein Be- und Entladen. Das Produkt wird an einem Ende feucht zugeführt und kommt am anderen Ende in einem gleichmäßigen Strom trocken heraus. Betriebe, die rund um die Uhr im Einsatz sind, schätzen Durchlauftrockner, da die Produktionslinie nie zum Stillstand kommt.

Was Netzbetreiber im Auge behalten

Eine SPS oder ein DCS bindet all diese Komponenten zusammen. Die Sollwerte werden eingegeben, das Steuerungssystem regelt Heizung und Gebläse, um die Werte im Sollbereich zu halten, und es werden Alarme ausgelöst, wenn ein Messwert außerhalb des zulässigen Bereichs liegt. Neuere Maschinen protokollieren jeden Datenpunkt während des gesamten Durchlaufs – was die Arzneimittelaufsichtsbehörden sehen wollen und was auch außerhalb der regulierten Arbeit bei der Fehlersuche nützlich ist.

Das getrocknete Produkt herausnehmen

Chargentrockner werden in der Regel unten entleert. Der Behälter kippt, eine Absperrklappe öffnet sich, oder der gesamte Behälter wird herausgehoben und zum nächsten Arbeitsschritt gerollt. Einige Modelle verfügen über eine seitliche Auslaufrinne mit einem Schaufelrad zum manuellen Ausräumen.

Bevor es weitergeht, wird der Feuchtigkeitsgehalt überprüft. Ein Trocknungsverlusttest oder eine integrierte NIR-Sonde bestätigt, dass die Charge die gewünschte Zielwerte erreicht hat. Liegt der Wert zu niedrig? Lassen Sie den Trockner noch ein paar Minuten laufen. Ist es zu weit gegangen und das Produkt ist knochentrocken? Notieren Sie es und verkürzen Sie den Zyklus bei der nächsten Charge. Die meisten pharmazeutischen Spezifikationen verlangen einen Endfeuchtegehalt zwischen 11 % und 31 %, wobei der genaue Wert von der Rezeptur und der weiteren Verarbeitung des Produkts abhängt.

Ein Sieb oder ein Rost nach dem Austrag löst eventuelle Klumpen auf, die an den Wänden haften geblieben sind oder sich in der Nähe der Platte gebildet haben. Die meisten im Fließbett getrockneten Produkte müssen jedoch nicht wirklich gemahlen werden. Das ständige Wälzen während des Betriebs verhindert, dass die Körner miteinander verkleben, wie es in einem statischen Ofen oder bei einer Bandtrockneranlage der Fall ist. Das ist ein echter Vorteil dieses Trocknertyps gegenüber älteren Trocknungsmethoden und einer der Gründe, warum er vor Jahrzehnten in vielen Anlagen die Bandtrockner abgelöst hat.

Abschluss

Die Luft aufbereiten, erwärmen, durch eine Platte leiten, das feuchte Produkt darauf schweben lassen, die Feuchtigkeit durch die heiße Luft entziehen, den Staub auffangen und am Ende das getrocknete Material sammeln. Jeder Schritt übergibt an den nächsten, und jede Schwachstelle in dieser Kette macht sich im Endprodukt bemerkbar. Auf dem Papier klingt das nicht kompliziert. Aber es gut zu machen, Charge für Charge, erfordert mehr Sorgfalt, als die meisten Leute erwarten, wenn sie zum ersten Mal hier hereinkommen.

Referenzen:

Arten von Luftverteilerplatten in Wirbelschichtprozessoren.

Wie viele Sensoren sind in einem Wirbelschichttrockner (FBD) verbaut? Alles, was Sie wissen müssen..

Wirbelschichttrockner im pharmazeutischen Verfahrenstechnikbereich verstehen.

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