risiko beseitigt

Feststoffmischen und die Möglichkeit der Vollautomatisierung

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17.11.2008 Die Herstellung von Produkten aus Schüttgütern wird immer komplexer, und die Bewertung der Qualitätsrisiken bekommt kontinuierlich mehr Gewicht. Kernstück eines chemischen Prozesses ist das korrekte Erstellen von Mischungen und deren Weiterverarbeitung. Dies erfolgt entweder als Batch oder kontinuierlich. Der Beitrag beschreibt ein im europäischen Ausland realisiertes Projekt, das von einem Chemieunternehmen aufgrund der durch die Bereichsleitung erstellten Risikobeurteilung angestoßen und später auch konsequent realisiert wurde.

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Das gut geführte und bereits seit zwei Jahrzehnten regelmäßig zertifizierte Chemieunternehmen hat sich in den letzten Jahren in den meisten technischen Bereichen der Herstellung auf den modernsten Stand der Technik entwickelt. Vielerorts sind technische Verbesserungen kaum oder nur noch mit überproportionalem finanziellem Aufwand möglich. Die Risiken, die damit beseitigt würden, sind minimal. Regelmäßig fallen die Berichte der Auditoren in fast allen Bereichen positiv aus. Trotzdem gibt es seit langem und immer wieder die gleichen Kommentare zu einem relativ kleinen Bereich des Unternehmens, in dem Jahr für Jahr minimale Optimierungen gemacht werden ohne dabei den Kern des Übels an der Wurzel zu packen.

Die Feststoffmischerei entspricht nicht dem technischen Standard, der in den übrigen Abteilungen herrscht, ist aber dennoch einer der wichtigsten Prozesse überhaupt, denn hier werden die produktdefinierenden Stoffe abgemischt und/oder bereitgestellt. Eine Vielzahl von Pulvern, Granulaten, Fasern und anderen Schüttgütern werden hier meist manuell verwogen und zusammengeschüttet, um danach auf hochmodernen Mischern zur gewünschten Substanz vermischt zu werden.

Die Risikobeurteilung des Chemieunternehmens

Die Risiken, die im Bereich der Mischerei und der unmittelbaren Umgebung lauern, sind vielfältig und die daraus entstehenden Kontrollkosten beträchtlich. Vom Unternehmen wurden insbesondere die folgenden Punkte als erhebliche Risiken identifiziert:

  • Umgebungshygiene (als Verschmutzung wird in die Mischerei angegeben);
  • Verschleppen von Schmutz durch Lagerung und Transporte;
  • keine wirklich gründliche Reinigung der Räumlichkeiten möglich;
  • relativ viele Abfälle in der Produktionsumgebung;
  • keine Validierung der Reinigung möglich;
  • die Langzeitauswirkungen der Basisstoffe auf die Mitarbeiter ist nicht immer klar;
  • Vollschutz der Mitarbeiter mindert Arbeitsproduktivität und verursacht Kosten;
  • Kunden konnte dieser Bereich des Unternehmens aufgrund der unsauberen Umgebung nicht als Pluspunkt des Unternehmens gezeigt werden;
  • relativ hohe Sperrquote von Batches aufgrund von Verunreinigungen oder Fehlmengen.

Die Geschäftsleitung beschloss eine rigorose Verbesserung des Produktionsprozesses, um auch in diesem Bereich die internen Richtlinien und Unternehmensziele konsequent und dauerhaft einhalten zu können.

Die technische Lösung

Kernmodul der vollautomatischen Komponentenmischanlage ist das Austrags- und Dosiergerät Kokeisl, das auch unter der bezeichnung „automatische Schaufel“ bekannt ist. Dieser Begriff beschreibt den Einsatz sehr bildhaft, ist doch das Gerät tatsächlich in der Lage, die flexible Bewegung beim Einsatz einer Schaufel nachzubilden. Die Handschaufel hält sich nach wie vor dort als Dosierinstrument hartnäckig, wo die unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften der Produkte eine einzige technische Alternative nicht zulassen. Mit der Schaufel können sowohl harte, bröckelnde Stoffe als auch weiche, zähe oder faserige über ein breites Mengenband sehr genau dosiert werden. Ziel ist es, ganz vorsichtig so wenig dazu zu dosieren, bis die Waage die richtige Menge anzeigt. Das Gelingen hängt von den Leistungsvorgaben des Bedieners, seiner inneren Einstellung und nicht zuletzt auch von seiner Tagesform und Erfahrung ab.

Das Modul ist eine rotierende, zylindrische Öffnung mit einem Zuführkonus oben und einer freischwingenden Absperr- und Dosierklappe unten. Das Produkt fällt senkrecht mit der Schwerkraft durch die Öffnung.
Weshalb funktioniert denn der Austrag durch diese Öffnung für praktisch jedes Schüttgut? Weil am rotierenden Teil der Öffnung ein schwertartiger Fluidisator befestigt ist, der mit gleichbleibender Drehzahl langsam entlang der Konuswand für den freien Fall des Schüttgutes durch die Öffnung sorgt. Dieses Prinzip ist seit Jahrzehnten in der Pharmaindustrie erfolgreich im Einsatz. Da das Produkt jetzt fließen kann, ist selbst mit minimaler Klappenöffnung ein zuverlässiger Produktaustrag möglich, der stufenlos bis zur Maximalöffnung erhöht werden kann. Dadurch sind der Dosierung in zweierlei Hinsicht kaum Grenzen gesetzt. Einerseits kann mit der gleichen mechanischen Einrichtung die gesamte Produktpalette an Schüttgütern abgedeckt werden, andererseits können kleinste Mengen im Bereich der Waagenauflösung bis hin zu Großmengen mit gleichbleibender Genauigkeit dosiert werden.
Das Modul besitzt nur wenige, sehr einfach zu reinigende Bauteile und eignet sich deshalb ganz besonders für solche Prozesse, bei denen es besonders auf Reinigungsfreundlichkeit ankommt. Die Reinigung erfolgt entweder im Prozess als geschlossene Einheit ohne Demontage oder in vollständig demontierter Form. Dabei ist zu beachten, dass bereits die Reinigung ohne Demontage sehr gute Resultate zulässt. Dies vor allem deshalb, weil der Innenraum lediglich aus einem konischen und einem anschließenden zylindrischen Teil besteht. Die gesamte Demontage nimmt an einem entsprechend ausgestatteten Arbeitsplatz maximal 12 min in Anspruch, der Zusammenbau ist sogar in kürzerer Zeit möglich.

Wie ist der Stand der Technik heute in der Praxis?

In der Regel werden die Rohmaterialien für den Mischprozess in Säcken oder Einwegbehältnissen angeliefert. Die gleichen Rohstoffe werden zum Teil für andere Prozesse zusätzlich in Big-bags oder Containern angeliefert. Die Säcke oder Einwegbehältnisse gehen dann in ein Rohmaterialienlager; von dort aus werden sie bei Bedarf in einen der Mischerei vorgelagerten Bereich zum Umfüllen in Mischereibehälter ausgelagert. Anbruch geht zurück oder verbleibt im vorgelagerten Bereich und bildet ein „illegales“ Anbruchlager. Die Mischereibehälter werden dann innerhalb der Mischerei in Regalen gelagert, bis Bedarf für eine Rezeptur besteht. Erfolgt ein Auftrag, werden die entsprechenden Behälter zusammengestellt und deren Inhalt manuell verwogen.

Halbautomatische Systeme bestehen aus kleinen Silo-Behälterbatterien, die unten zur Entnahme eine automatisch verschließende Klappe besitzen und die entsprechend der Rezeptur zum Öffnen freigegeben werden. Das manuelle Schaufeln bleibt bestehen. Vielerorts werden sogar die Säcke direkt in den Prozess entleert, zum Teil mit dem Risiko, dass durch das Aufschlitzen der Säcke Papierteile in den Prozess eingebracht werden, die – falls das chemische Endprodukt wiederum ein Schüttgut ist – beim Kunden zum Teil erhebliche Probleme verursachen können. Allen Systemen gemeinsam ist, dass an dieser Stelle immer ein Kontaminationsrisiko besteht, da die Systeme nicht geschlossen arbeiten und für jeden Dosiervorgang ein Mitarbeiter mit der Hand und der Schaufel ins Material eingreifen muss.

Das vollautomatischeMischerei-System

Mit dem System werden die in festen Gebinden gelagerten Komponenten vollautomatisch aus dem Regallager ausgelagert und direkt mit der Austrag- und Dosiereinheit zum Kokeisl-Dosierbehälter gekoppelt. Die dabei verwendete Austrag- und Dosiereinheit ist eine aus einer ganzen Serie, die nach Gebrauch bei Bedarf jeweils in die Wäscherei eingefahren, gereinigt und getrocknet wird. Aufgrund der geringen Bauteile und dem gänzlichen Fehlen von Schmierstoffen oder ähnlichem ist dieser Prozess für das System unproblematisch.

Nachdem das Gebinde angekoppelt und die gesamte Dosiereinheit auf die Abfüllstation gedreht wurde, kann der Dosiervorgang in die Sammelbehälter beginnen. Dabei ist es unerheblich, ob mehrere Batches dosiert werden oder lediglich ein einziger. Das System bietet volle Flexibilität und passt sich der Produktionsstrategie an.
Nach der Dosierung wird das Gebinde wieder entkoppelt und die Restmenge entweder wieder eingelagert, oder Modul und Behältnis werden gereinigt. Danach werden beide Komponenten für die Wiederverwendung freigegeben. In einem derart angelegten Mischereiprozess wird lediglich im Bereich des Umfüllens von Sackware in die betriebsinternen Behältnisse Material offen umgeschüttet. Dieser Prozess wird an einem zentralen Ort mit entsprechenden Absaugvorrichtungen und Reinigungsmöglichkeiten angesiedelt.
Alle sich daran anschließenden Prozesse sind geschlossen und dem entsprechend staubfrei. Eine Kontamination kann also ausgeschlossen werden. Es ist anzustreben, wenn auch in der Regel nicht immer möglich, die Lieferung in Säcken zu vermeiden. Nur auf diese Weise ließe sich der gesamte Mischereiprozess vollständig automatisieren. Es könnte natürlich im Einzelfall geprüft werden, ob sich eine lieferantenseitige Dienstleistung „Verpacken in feste Gebinde“ rechnen würde. Immerhin ließen sich die Risiken dadurch nochmals minimieren. Wo Lieferanten nicht auf feste Gebinde umsteigen wollen oder können, ist häufig der Big-bag eine vernünftige Lösung. Auch hier bietet der Einsatz des Moduls in Kombination mit geeigneten Big-bags vielfältige Vereinfachungen.

Positive Auswirkungen auf denProduktionsprozess

Aufgrund der vollständigen Automatisierung und des Einsatzes von festen, betriebsinternen Gebinden wird das Einhalten einer sauberen und kontaminationsfreien Produktionsumgebung möglich. Liefergebinde und Säcke werden in einer schmutztoleranten, relativ kleinen Zone manipuliert und die Produkte direkt in die Behälter der anschließenden Lager- und Bereitstellungszone umgeschüttet. Straßenschmutz bleibt immer außerhalb des eigentlichen Produktionsbereiches.

Die Lagerung und das Handling der Behältnisse erfolgt in der Lager- und Bereitstellungszone, wo nach dem Umfüllen bis zum Ankoppeln an die Module keine Kontamination mehr erfolgen kann, da die Behälter immer verschlossen bleiben. Die gesamte Zone ist weitgehend staubfrei und braucht daher auch keine aufwendigen Filteranlagen. Da die Produktionsbereiche weitgehend bzw. komplett staubfrei gehalten werden, ist eine einfache und zuverlässige Reinigung der Räumlichkeiten möglich. Die Reinigung sowohl der Räume als auch der Anlagen und Behältnisse ist aufgrund einer hohen Standardisierung und der Elimination von Ausnahmen problemlos validierungsfähig.

Die Mitarbeiter sind mit Ausnahme von der Umfüllstation und der Gebinde- und Dosierer-Reinigung nicht mehr Produktstäuben ausgesetzt und brauchen dementsprechend auch nicht mehr speziell geschützt zu werden. Die Gesundheitsrisiken können damit drastisch reduziert bzw. sogar vollständig ausgeschlossen werden.

Heftausgabe: November 2008
Daniel Testi ,

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Daniel Testi ,

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