Leitstrahlmischer - die besseren Rührer
Effektives Mischen im Mikro- und Makromaßstab

Ein in der Verfahrens- und Produktionstechnik vielfach erheblich unterbewerteter Verfahrensschritt ist das homogene Durchmischen von Behältern, Kesseln oder Reaktoren jeder Art.
Sei es, um Suspensionen stabil zu halten, Lösungen rationell herzustellen oder aber Emulsionen vorzubereiten, in sehr vielen Fällen führt die mangelhafte Durchmischung eines Behälters in nachfolgenden Produktionsschritten zu teils erheblichen Problemen.
Ein kurzer Exkurs in die Technologie der Leitstrahlmischer soll bewußt machen, daß es effektivere Methoden in der Mischtechnolgie gibt als allgemein gelehrt und beworben wird.
Leitstrahlmischer sind dann eine Alternative und kommen dann in Betracht, wenn die übliche Rührwerkstechnik für die homogene Durchmischung von Behälterinhalten in Ihrer Leistung oder aber Effektivität nicht ausreicht oder aber gezielt Zeit gespart werden soll. Allgemein gesagt, wenn es Probleme mit einem Mischprozeß gibt, sollte man sich mit der Leitstrahl-Mischtechnik auseinandersetzen.
Dabei ist die Anwendung eines Leitstrahlmischers nicht von der Behälterform oder -größe abhängig sondern von der Aufgabenstellung.
Insbesondere Mischaufgaben mit größeren Dichte- und/oder Viskositätsunterschieden führen in der Regel schnell weg von üblichen Rühraggregaten hin zur effektiveren Leitstrahl-Mischtechnik.
Diese Technik, die seit den 60er Jahren bekannt ist, hatte ihren Durchbruch erstmals in der Milchindustrie, als es darum ging, großvolumige Kesselmilchtanks zuverlässig, schonend und schnell aufzumischen.

Technisches

Leitstrahlmischer sind Mischorgane, deren Mischwerkzeuge - technisch gesehen - aus einem Rotor (Propeller) und einem Stator (Leitrohr) bestehen. Im Gegensatz zu den allgemein bekannten Rotor-Stator Maschinen (hauptsächlich Dispergiermaschinen) ist der Zweck dieser Anordnung bei einem Leitstrahlmischer nicht der, ein Schergefälle und größtmöglichen Energieeintrag zu erzeugen, sondern ein vollkommen anderer. Während bei den typischen Rotor-Stator-Maschinen ein enger Spalt zwischen Rotor und Stator gewählt wird, um hohe Schergradienten zu erzeugen, dient die Anordnung von Rotor und Stator beim Leitstrahlmischer dazu, die Rotation der Flüssigkeit abzubremsen und vor allem die Strömungsrichtung zum Boden hin umzulenken. Der konzentrisch um den Rotor herum angebrachte Stator fungiert in erster Linie als das Teil der Maschine, welches beim "normalen" Rührer der Behälterwand entspricht.Hier wird die Flüssigkeit durch die Wandreibung zwangsläufig abgebremst, und die Strömungsgeschwindigkeit geht gegen den Wert Null. Der den Rotor umgebende Stator ist bei einem Leitstrahlmischer an einem sog. Statorrohr angebracht, der die Welle umgibt.

Dieses Bauprinzip bietet neben den für den Mischvorgang bestehenden Vorteilen auch einen konstruktiven:

Da der Stator an der Maschine kraftschlüssig angebracht ist, erzeugt ein in Betrieb befindlicher Leitstrahlmischer nur den Bruchteil des Drehmomentes, welches von einem Rührwerk vergleichbarer Leistung aufgebracht wird und von der Rührwerksbefestigung am Behälter aufgenommen werden muß.
In der Regel gilt es hier, nur das Anfahrmoment des Motors aufzunehmen. In Verbindung mit einem Frequenzumformer oder einem Sanftanlaufgerät kann auch dies noch deutlich reduziert werden.
Ist die Befestigung des Mischers nicht am Behälter sondern variabel an einem Hubgestell vorgesehen, so bieten Leitstrahlmischer gegenüber jedem anderen Rührwerk einen ganz besonders positiv zu bewertenden Sicherheitsaspekt:
Es sind nämlich nirgendwo bewegliche Teile an der Maschine im Arbeitsbereich des Bedieners, da sowohl der Rotor (durch den Stator) als auch die Welle (durch das Statorrohr) dem Eingriff des Bedieners entzogen sind.

Beim Einbau von oben, unten oder von der Seite kann unter einer Vielzahl von Konstruktionsvarianten, welche im Einzelfall geprüft werden, gewählt werden.
Ein Leitstrahlmischer wird ab einer Behältergröße von ca. 2 m³ vorzugsweise seitlich in einem Flansch im unteren Bereich des Behälters angebracht.
Die Länge der rotierenden Massen bleiben hierdurch klein und sind technisch problemlos beherrschbar. Zudem bieten kurze Wellen den Vorteil, daß bei der Reinigung weniger Fläche zu behandeln ist.
Die Abdichtung der Mischer beim Seiteneinbau erfolgt üblicherweise durch zwei Gleitringdichtungen, wobei je nach Anwendung zwischen verlorener Kühlung, Kreislaufkühlung mit Pumpe oder aber gesperrter Dichtungsvariante gewählt werden kann.
Leitstrahlmischer gibt es in Leistungsgrößen von 0.5 - 50kW, so daß selbst sehr große Behälter hiermit bestückt werden können.
Wartungs- oder Reparaturarbeiten können bequem von der Seite, in Arbeitshöhe durchgeführt werden, ohne daß hierzu auf den Behälter gestiegen werden oder gar ein Dach aufgeschnitten werden muß.

Physikalisches

Bei jedem Mischvorgang besteht die Hauptschwierigkeit darin, daß zwei oder mehr Stoffe mit meist unterschiedlichen Stoffeigenschaften (Dichte, Viskosität Farbe, Struktur etc. ...) zu einer homogenen Masse (Mischung, Lösung, Suspension oder Emulsion) vereint werden sollen. Während dies bei Gemischen aus flüssigen Komponenten mit nicht sehr unterschiedlichen Viskositäten noch sehr einfach ist, wächst der Anspruch an das Mischorgan mit steigender Dichte- und Viskositätsdifferenz enorm an. Das wirklich homogene Vermischen eines hochviskosen Extraktes in einer niedrigviskosen Vorlage - speziell in großen Behältern -, führt ebenso wie das Lösen von schwerlöslichen Mineralsalzen bei der Verwendung üblicher Rührwerkstechnologie sehr schnell an die Grenze des qualitativ und zeitlich Akzeptablen. Jede Art der Sedimentation oder Phasentrennung beginnt unter dem Einfluß der Schwerkraft, demzufolge muß ein effektives Mischinstrument, welches die Sedimentation aufheben soll, genau entgegengesetzt der Schwerkraft agieren. Die Umlenkung des von einem Leitstrahlmischer erzeugten Flüssigkeitsstrahles am Boden des Behälters bewirkt genau dies.

Die den üblichen Rührwerken oder freilaufenden Rührern anzulastende Rotation des Behälterinhaltes sorgt dafür, daß durch die Fliehkraft die Flüssigkeit am Rande des Behälters hochsteigt, und demzufolge in der Mitte, direkt an der Rührerwelle sinkt. In vielen Fällen führt dies, vor allem bei Behältern ohne Strombrecher, zum Durchschlag von Luft teilweise bis auf die Propellerebene.
Die von zentrisch eingebauten Rührern bewirkte Rotation der Flüssigkeit führt speziell bei Suspensionen zu einem weiteren unerwünschten Effekt: genau unterhalb der Rührerwelle sammeln sich die zu suspendierenden Partikel und rotieren am Behälterboden - am eigentlichen Mischprozeß nehmen sie aber kaum teil.
Bei der Anwendung eines Leitstrahlmischers tritt dies Phänomen nicht auf, vielmehr liegt das Maximum des Geschwindigkeitsprofiles genau in der Mitte das austretenden Strahles, d.h. der Boden wird mit maximal möglicher Strömungsgeschwindigkeit angeströmt, und die Partikel werden zuverlässig vom Boden weggespült.

Mikro / Makro

Neben der erwünschten homogenen Verteilung im gesamten Behälter - der Makrovermischung - bietet der Leitstrahlmischer auch ein deutliches Plus in der Mikrovermischung, also der Vermischung im kleineren Maßstab. Hiermit ist gemeint, daß Knötchen oder Pulverklümpchen deutlich besser desagglomeriert oder Pre-Emulsionen deutlich besser vorbereitet werden können, als in langsam laufenden Rührwerken. Der Grund liegt in der höheren erzeugten Turbulenzleistung im Mischkopf und kleineren Turbulenzwirbeln, als von langsamlaufenden Rührern erzeugt werden können.
Sehr oft wird genau dieses Faktum den Leitstrahlmischern als Nachteil angelastet; Versuche im Full-Scale Maßstab zeigen jedoch sehr schnell, daß die Angst vor einer Schädigung des Produktes durch z.B. freies Fett, Brechen von Emulsionen oder zuviel Energieeintrag und Erwärmung unbegründet sind. Sieht man sich die oft nachfolgenden Prozeßschritte, wie eine Scherkranz- oder Hochdruckhomogenisierung an, so wird augenblicklich klar, wo im Verlauf einer Herstellung die größte Belastung für ein Produkt auftritt. Allein das Fördern mit einer Verdränger- oder Kreiselpumpe birgt eine höhere Scherbelastung in sich, als das Mischen mit einem Leitstrahlmischer, da der Scherspalt bei gleicher Drehzahl weitaus kleiner ist.
Selbstverständlich gibt es scherempfindliche Produkte, die eine Vermischung mit einem Leitstrahlmischer nicht schadlos überstehen, diese Produkte, zum Beispiel einige Polymere, teilweise auch Bitumenemulsionen, sind aber recht selten und als Sonderfälle anzusehen. 
Teilweise werden solche Produkte sogar mit Leitstrahlmischern hergestellt und "reifen", so daß sich die Empfindlichkeit gegenüber einer Scherbelastung erst nach einer gewissen Zeit einstellt.
Für die weitaus größte Gruppe der Produkte, speziell in der Lebensmittelindustrie, stellt das Mischen mit Leitstrahlmischern absolut keine Gefahr dar, im Gegenteil, teilweise können sogar Effekte wie die Entlüftung des Produktes festgestellt werden, die mit üblicher Rührtechnologie nicht zu erreichen war.

Baumuster

ystral Leitstrahlmischer gibt es in vielen Bauarten, angepaßt an den jeweiligen Einsatzzweck und die speziellen Anforderungen bezüglich Arbeitssicherheit, Reinigung, Effizienz und Produktionssicherheit. Immer gleich bleibt dabei die Garantie der 100%ig homogenen Vermischung des Behälterinhaltes.
Eine weit verbreitete Bauart ist der Typ LDT (Lagerung und Dichtung im Tauchteil), wobei keinerlei sich drehende, den Bediener gefährdende Teile aus dem Behälter oder aber der Flüssigkeit herausragen. Hierbei ist die Lagerung und die Dichtung im Tauchteil der Maschine angebracht, wodurch auch die Reinigung der Maschine extrem einfach ist.
Für gehobene Ansprüche in der Pharmazie oder im Lebensmittelbereich gibt es die Ausführung LDT-D, eine Weiterentwicklung der oben beschriebenen LDT Variante, jedoch mit doppelter Gleitringdichtung, welche auf Wunsch im GMP-Standard gefertigt und deren Dichtungen gegenüber dem Produkt mit einem Quench gesperrt werden können. Diese Ausführung bietet den Vorteil, daß die Maschine problemlos trocken laufen kann und daß über die Kontrolle der Kühlflüssigkeit sofort ersichtlich ist, ob entweder Produkt in die Umwelt oder aber in die Dichtungskammer eintritt.
Ein weiterer Vorteil dieser beiden Bauarten ist, daß problemlos die Mischwerkzeuge von Leitstrahlmischer über DISPERMIX bis zu Scherkranzdispergiermaschinen umgebaut werden können.
Man hat also das gesamte Spektrum von schonendem Mischen über Mischdispergieren bis zum reinen Dispergieren/Emulgieren mit einer Maschine erschlagen.

Mischen und Dispergieren in einem Durchgang - DISPERMIX

In vielen Fällen reicht ein noch so gutes Mischen nicht aus, um ein Produkt in der gewünschten Qualität herzustellen.
Besonders dann, wenn klumpenbildende oder aber zur Gelbildung neigende Pulver (Joghurtsprühpulver, Kaseinate, Pektin, Xanthan, Johannesbrotkernmehl etc.) in Flüssigkeiten eingebracht werden sollen, schlägt die Stunde der Wahrheit für jedes Rühr- oder Mischorgan.
Großräumiges Mischen selbst mit Leitstrahlmischern hilft auch dann nicht mehr, wenn die zu bearbeitenden Agglomerate den Wirkmaßstab des Mischorganes verlassen, d.h. wenn die Turbulenzwirbel des Mischwerkzeuges größer sind als die Agglomerate selbst und diese so nicht zerstören können. Diese "schwimmen" dann mit den Turbulenzwirbeln mit, werden aber nicht desagglomeriert. Als Beispiel sei hier der oft auftretende Fall des Lösens einiger Milchsprühpulver genannt, was mit normalen Rührern nur mit enormen Zeitaufwand möglich ist, da das Pulver sofort eine Gelschicht an der Oberfläche bildet und dann als Schwimmdecke auf der an der Oberfläche verweilt. Das Rührorgan kann dann die Gelschicht zwar mühsam von unten abtragen, letztlich aber die kleinen Klümpchen im Millimetermaßstab noch nicht zerstören. Eine Nachbearbeitung mit Scherkranzmaschinen oder gar Hochdruckhomogenisatoren ist dann erforderlich.
Speziell für diesen Fall gibt es ein Mischwerkzeug, welches einen hervorragenden Kompromiß zwischen großräumiger Mischung und evtl. anfallender Dispergierung bietet.

Das für die großräumige Vermischung verantwortliche Mischorgan des DISPERMIX hat starke Ähnlichkeit mit dem Kopf eines Leitstrahlmischers, die für die Dispergierung verantwortlichen Effekte (großes Schergefälle durch geringen Spaltabstand) zeigen Ähnlichkeit mit typischen Chargen-Scherkranzdispergiermaschinen. Tatsächlich liegt DISPERMIX mit seiner Wirkung recht genau in der Mitte zwischen diesen beiden Maschinenbauarten. Der erzielbare Schergradient, also die für jede Dispergierung ursächliche Größe, liegt zwischen Leitstrahlmischern und Chargen-Scherkranzmaschinen. Die Mischleistung ist jedoch erheblich größer.

Optimal geeignete Einsatzfälle sind hier z.B. das Einemulgieren von Aromaölen, Herstellen und Aufmischen von Getränkekonzentraten, Eiscreme-Premix, Pre-Emulsionen von Leichtmargarine, Dessert-Soucen aller Art, Schoko- und Milchpudding- Vormischungen, besonders dann, wenn Hydrokolloide eingearbeitet werden.

Der Autor, Dipl.-Ing. Claus-W. Häbel ist bei der Firma ystral GmbH in Ballrechten Dottingen angestellt und zuständig für Anwendungstechnik und technischen Außendienst in Norddeutschland