Dosierprozesse: Konti oder Batch?
Die Voraussetzung für einen effizienten Produktionsprozess ist eine passgenaue Dosier- und Wägetechnik. Bei der Auswahl des geeigneten Systems steht Kubota Brabender Technologie seinen Kunden mit tiefen Prozess- und Materialverständnis beratend zur Seite. So findet jeder für das Dosieren von Feststoffen und Flüssigkeiten die für ihn optimale Lösung.
Für die industrielle Dosiertechnik besitzen Batch- und Konti-Verfahren als zuverlässige Methoden gleichermaßen ihre Berechtigung. Die Wahl des richtigen Systems hängt aber immer von der individuellen Situation und den eigenen Produktionszielen ab. Deshalb lohnt es sich, diese vor der Investition in eine neue Produktionsanlage sorgfältig und unvoreingenommen zu analysieren.
Als Entscheidungsgrundlage für die passende Dosiermethode sind folgende Kriterien zu berücksichtigen:
- zu dosierende Materialien und ihre Eigenschaften
- Rezeptur
- Prozesszeiten
- Produktionsmenge
- benötigte Endproduktqualität
- Verfahren
- Explosionsschutz- und Arbeitsschutzkonzept
Zwei Dosiersysteme, drei Ansätze
1. Kontinuierliche Prozesse
Kontinuierliche Prozesse eignen sich grundsätzlich besser bei hohen Durchsatzleistungen oder Massenproduktionen mit wenig Rezepturwechseln. Je länger der Betrieb läuft, desto höher die Wirtschaftlichkeit. Aber auch bei häufigen Rezepturwechseln lassen sich die Stillstandszeiten reduzieren, wenn genügend Dosierwaagen für die verschiedenen Materialien vorhanden sind. In diesem Fall werden die nicht benötigten Dosierwaagen aus der Rezeptur abgewählt und der Produktionsprozess kann direkt wieder anfahren.
2. Diskontinuierliche Prozesse (Batch)
Batch-Systeme sind im Allgemeinen für das Verarbeiten begrenzter Produktionsmengen mit vielen Rezepturen von Vorteil. Hier wird zusätzlich zwischen der addierenden und subtrahierenden Verwiegung unterschieden. Bei der addierenden Verwiegung werden alle Komponenten nacheinander in einen verwogenen Behälter dosiert und das Gewicht addiert. Bei der subtrahierenden Verwiegung wird jede Komponente direkt aus einer separaten Dosierwaage parallel in den Prozess dosiert.
3. Sonderfall Batch mit Konti-Dosierung
Wie immer gilt: Ausnahmen bestätigen die Regel. So gibt es neben den drei beschriebenen Verfahrensmöglichkeiten der Dosierungs- und Wiegetechnik noch eine vierte Anwendungssituation. Bernhard Hüppmeier, Geschäftsentwicklung bei Kubota Brabender Technologie, erklärt: „Bei diesem Fall wird ein Batch über einen relativ langen Zeitraum kontinuierlich genau geregelt in einen Prozess dosiert. Es kommt dabei – wie beim kontinuierlichen Prozess – sowohl auf die Kurzzeitgenauigkeit als auch auf den Batch-Endwert an. Es gelten dann die Kriterien des kontinuierlichen Prozesses, da der Abschaltpunkt des Batch-Endwertes im Verhältnis zur Batchgröße nicht so relevant ist und in der Regel vernachlässigt werden kann.“
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Im Detail: die kontinuierliche Dosierung
Bei der kontinuierlichen Verfahrensweise werden gravimetrische Dosierdifferenzialwaagen eingesetzt. Die Dosiergenauigkeit ist bei hochauflösenden, digitalen Wägezellen hoch und auch Kleinstmengen lassen sich ohne Vormischungen mit Kleinstdosierern dosieren. Bei diesem Verfahren können alle Komponenten parallel dosiert werden. Vormischungen sind zwar möglich, erfordern aber zusätzliche Transportwege und bergen ein Risiko für Entmischungen.
Die Regelung beim Konti-Verfahren ist aufgrund der meist benötigten Kurzzeitgenauigkeit und der Befüllphase aufwendiger und durchgehend notwendig. Nur so lassen sich Störungen in der Anlage vermeiden und eine hohe Prozesssicherheit gewährleisten. Bernhard Hüppmeier konkretisiert: „Die Befüllung muss genau abgestimmt werden, da keine Gewichtsentnahmekontrolle bei der Nachfüllung stattfindet.“ Auch die Entlüftung ist ein wichtiger Faktor: Damit Staubgemische vermieden werden, wird an jeder Waage separat entlüftet. Bei höheren Durchsatzleistungen bleiben die Waagen relativ klein. Nicht benutzte Waagen können in der Steuerung einfach abgewählt werden, was lediglich kurze Stillstandszeiten mit sich bringt. Durch den einfachen Produktwechsel kann die Reinigung ebenfalls leicht durchgeführt werden.
Vor- und Nachteile des Konti-Verfahrens
Hohe Leistungen sind in der kontinuierlichen Verfahrensweise schneller und einfacher, denn die Geräte sind dann auch kleiner als bei großen Chargen. Die Dosierung erfolgt direkt in der Verarbeitungsmaschine, wie Mischer, Extruder oder Kneter und benötigt meist auch weniger Personal. Deshalb weist diese Dosiermethode eine hohe Prozesssicherheit auf. Lediglich in der An- und Abfahrphase kommt es auf die genaue Abstimmung an, um Produktverluste zu vermeiden.
Kontinuierlich arbeitende Anlagen erfordern einen hohen Planungsaufwand. Neben der benötigten exakten Aufstellungsplanung unter Berücksichtigung der Materialströme müssen auch Umwelt- und Anlagenbedingungen wie Temperatur, Feuchte, Explosionsschutz und Arbeitsbedingungen betrachtet werden. Vorteilhaft ist hingegen der geringe Raumbedarf, speziell die niedrigere Höhe. Auch die Inbetriebnahme ist mit Fach- oder gut geschultem Personal einfach, da Waage und Dosiergerät eine Einheit sind.
Generell gibt es immer mehr Anwendungen, bei denen Batch- auf Konti-Verfahren umgestellt werden oder in Planung sind.Bernhard Hüppmeier
Konti oder Batch? Kontinuierliches oder chargenweise Dosieren:
Dosierverfahren im Video-Vergleich
Im Überblick: Vor- und Nachteile Konti-Verfahren
- großer Durchsatz
- hohe Prozesssicherheit
- weniger Platzbedarf und geringe Bauhöhe
- geringer Personalbedarf im Betrieb
- Produktion von Kleinstmengen möglich
- hoher Planungsaufwand vorab
Batch-Verfahren mit volumetrischer Dosierung (addierende Verwiegung)
Dieses Verfahren basiert auf einzelnen, nacheinander geschalteten Dosierern und charakterisiert sich durch einen langsamen, zeitintensiven Ablauf mit Vormischungen. Volumetrische Dosierer dosieren in eine addierende Behälterwaage. Da diese in der Regel auf die größte Charge ausgelegt ist, können bei Kleinstchargen keine hohen Genauigkeiten mehr erreicht werden.
Die Regelung bei der diskontinuierlichen Dosierung ist einfacher, da sich Start- und Endgewicht genau einhalten lassen. „Bei der Befüllung könnte lediglich der Fallweg vom volumetrischen Dosierer zur Behälterwaage zu Ungenauigkeiten führen“, erläutert Bernhard Hüppmeier. Ein Produktwechsel ist ebenso aufwendig und zeitintensiv wie die Reinigung, wodurch lange Stillstandszeiten entstehen.
Vorteile bei kleineren Produktionsmengen
Durch die vielen manuellen Arbeiten ist die Prozesssicherheit niedriger, der Personalaufwand höher und die vielen Verarbeitungsschritte verursachen Produktverlust. Deshalb ist es unbedingt notwendig, die richtige Kalibrierung vorzunehmen. Die Dosierung erfolgt erst in der Behälterwaage, dann in der Verarbeitungsmaschine, dem sogenannten Batchmischer. Die Anlage für dieses Verfahren hat einen höheren Aufbau, wodurch mehr Platz benötigt wird. Der Aufwand für Planung und Inbetriebnahme ist vergleichsweise hoch. Das liegt daran, dass unterschiedliche Gerätetechnik für die Waage und das Dosiergerät verwendet wird. Trotz dieser Einschränkungen eignet sich das Batch-Verfahren mit volumetrischer Dosierung bestens für das Dosieren kleiner Produktionsmengen, auch wenn durch Restmaterial im Gerät Produkt verloren geht.
Das Batch-Verfahren mit addierender Verwiegung wird beispielsweise in der Pulverwaschmittelherstellung angewendet. Ein Transport-Container mit Behälterwaage fährt dazu über eine Rollenbahn und sammelt von den darüber installierten volumetrischen Dosierern die jeweils benötigten Mengen ein. Am Ende wird der Container entnommen und auf ein Mischsystem aufgesetzt, welches die dosierten Produkte mischt und entleert.
Im Überblick: Vor- und Nachteile diskontinuierliches Verfahren (Batch)
- für große Chargen geeignet
- unterschiedliche Rezepturen möglich
- einfache Regelung
- unkomplizierte Planung und Installation
- mehr Platzbedarf
- höherer Personalaufwand
Batch-Verfahren mit gravimetrischer Dosierung (subtrahierende Verwiegung)
Die dritte Methode nutzt ebenfalls das Batch-Verfahren. Hier kommen allerdings subtrahierende Waagen für eine gravimetrische Dosierung zum Einsatz. Somit können alle Komponenten parallel dosiert werden, was gegenüber addierenden Systemen zeitsparender ist. Dank seiner hochauflösenden digitalen Wägezellen handelt es sich beim Batch-Verfahren mit gravimetrischer Dosierung um ein hochgenaues Verfahren. Es kann auch für Kleinstmengen ohne Vormischungen angewendet werden, wenn Kleinstdosierer zum Einsatz kommen. Vormischungen sind grundsätzlich möglich. Sie bergen aber durch die zusätzlichen Transportwege zur Anlage die Gefahr von Entmischungen.
Vorteile der gravimetrischen Dosierung (subtrahierend)
Die Regelung ist einfacher, da Start- und Endgewicht genau eingehalten werden. Für die Befüllung gilt: Das Produkt, welches die Waage verlässt, ist immer verwogen und wird erst nach der Befüllung dosiert. Einzige Ausnahme: bei einer Mehrfachbefüllung während eines Batchs. Wie beim Konti-Prozess wird das separate Entlüften an jeder Waage notwendig, wodurch aber kein Staubgemisch anfällt. Bernhard Hüppmeier: „Ähnlich wie beim Konti-Verfahren hält sich der Aufwand für die Reinigung und den Produktwechsel im Rahmen. Nur bei hohen Batchgrößen ist er groß, da dann auch die Waagen entsprechend groß sind.“
Trotz der notwendigen manuellen Arbeiten, die das Batch-Verfahren mit sich bringt, gibt es bei der gravimetrischen Batch-Dosierung eine hohe Prozesssicherheit ohne Produktverluste, denn die Dosierung erfolgt direkt in dem Batchmischer. Ähnlich wie beim kontinuierlichen Dosieren ist wenig Platz erforderlich. Nur bei hohen Batchgrößen werden auch die Waagen sehr groß und benötigen dementsprechend viel Platz. Eine weitere Parallele zu Konti: Die Inbetriebnahme ist einfach, da die Waage und das Dosiergerät eine Einheit bilden.
Übersicht Batch-Verfahren mit subtrahierender Verwiegung
- einfacher Produktwechsel
- hohe Prozesssicherheit
- keine Produktverluste
- geringer Platzbedarf
- unkomplizierte Inbetriebnahme
- erhöhter Aufwand bei großen Chargen
Einsatzgebiete des Batchverfahrens mit gravimetrischer Dosierung
Dieses Batch-Verfahren wird beispielsweise für die Erstellung eines Premix bei der Masterbatchproduktion angewendet. Dazu dosieren drei Dosierdifferenzialwaagen batchweise (subtrahierend) gleichzeitig drei verschiedene Zusatzprodukte in einen Container, wobei bereits ein Vormischeffekt entsteht. Der Masterbatch wird anschließend zum Batchmischer gefahren und dort dem Hauptprodukt beigefügt
Warum gibt es einen Trend zur Konti-Anlage?
Auch wenn das chargenbasierte Dosieren in vielen Industrien zu Recht verwendet wird, geht der Trend beim Dosieren immer mehr zur kontinuierlichen Verfahrensweise, zum Beispiel für Anwendungen in der Pharmaindustrie, der Autoreifenherstellung oder bei Pulverlacken. Für Klebstoffe, die im Hotmelt- Prozess dosiert werden, ist das kontinuierliche Verfahren schon Realität; weitere Prozesse werden gerade entwickelt.
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Bernhard Hüppmeier zieht ein Fazit: „Generell gibt es immer mehr Anwendungen, bei denen Batch- auf Konti-Verfahren umgestellt werden oder in Planung sind. Aktuell befindet sich zum Beispiel die Batteriemassenherstellung im Umbruch zum Konti-Verfahren. Und im Lebensmittelbereich trifft das ebenfalls auf Trockenmüsli-Mischanlagen und Müsliriegelanlagen sowie Back- und Teigwaren und vegane Fleischersatzmischungen zu.“ Grundsätzlich darf der hohe Planungsaufwand nicht unterschätzt werden, sollte aber auch bei Kleinmengen gegen die gute Automatisierbarkeit, die damit einhergehende Produktqualität und den geringen Platzbedarf abgewogen werden.
