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Lagern, Mischen, Lösen

Tanks und Behälter können die unterschiedlichsten Aufgaben erfüllen - wenn sie richtig geplant sind

Vor noch nicht allzu langer Zeit erinnerten die - damals als modern bezeichneten Sirupräume ein wenig an Hexenkessel. Die Tanks waren im Fußboden eingelassen, Zucker und Limonadengrundstoffe wurden einfach in den Mannlochdeckel geschüttet, eingebaute Rührwerke lösten die Trockenstoffe und mischten die Komponenten.

Lirum larum Löffelstiel,
Alte Weiber essen viel,
Junge müssen fasten,
Brot liegt im Kasten,
Messer liegt daneben,
Ey was ein lustig Leben!

(Brentano Clemens, Anfang des 19. Jahrhunderts)

Die Vorgehensweise bei der Auswahl geeigneter Misch- und Rühreinrichtungen scheint häufig ebenso so beschwingt und sorglos vonstatten zu gehen, wie in diesem Kinderreim.

In Betrieben der alkoholfreien Erfrischungsgetränkeindustrie werden Getränkewasser, Süßungsmittel, Säuerungsmittel und Geschmacks- und Aromakomponenten zu einem Getränk vermischt. Ob diese Getränk noch mit Kohlendioxid versetzt wird, ist bei dieser Betrachtung nicht von Interesse.

Die zu mischenden Komponenten können flüssig oder fest sein.

Nachdem die Planung neuer Anlagen verstärkt nicht mehr von den Anwendern sondern von Architekten durchgeführt wurde, veränderte sich die Technik deutlich. Die Siruptanks standen nun ebenerdig und der Bediener stand davor.

Die Gebäudemaße sahen Auslaufhöhen von max. 30 cm vor. Eine Festverrohrung oder gar Automatisierung war nicht nur nicht vorgesehen, sondern wegen des zur Verfügung gestellten Raumes kaum realisierbar. Durchgänge von 30 bis 40 cm Breite sollten eine Reinigung hinter den Tanks ermöglichen. Schläuche und fahrbare Pumpen gehörten zur Standardausstattung.

Das Geld wurde in den Markt und nicht in die Produktionsanlagen investiert. Nachvollziehbare Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen und Fehleranalysen fanden nicht statt.

Je nach Philosophie des Herstellers oder des Franchisegebers entstanden teilweise sehr große Mischtanks, um eine Alterung mit Inversion in der Sirupstufe zu gewährleisten. In anderen Betrieben versuchte man das Getränk vollkontinuierlich herzustellen. Eine Dosierung von Trockenstoffen in eine Flüssigkeit ist nach dem Stand der Technik jedoch nur quasi-kontinuierlich mit der notwendigen Genauigkeit möglich. Die notwendige Mess- und Regelungstechnik für solche „vollkontinuierlichen“ Systeme ist insbesondere bei einer entsprechenden Sortimentsvielfalt enorm groß. Andere Betriebe bauten Systeme, bei denen Komponenten, die häufiger bzw. bei zahlreichen Getränken benutzt werden, wie z.B. Zitronensäure oder Einfachsirup, zusammen mit sogenanntem Quasisirup das ist ein Fertigsirup, dem z.B. Einfachsirup, Zitronensäure und Wasser fehlen kontinuierlich ausgemischt werden. Der Aufwand jedes erdenkliche Getränk in diese Philosophie zu pressen ist mit einem hohen apparativen Aufwand verbunden.

Einige, gut geführte Betriebe analysieren vor dem Bau einer Anlage die Rezepturen jedes einzelnen zu produzierenden Getränks. Sie scheuen sich auch nicht Rezepturanpassungen zu erwägen.

Die Dosierung von 2 l/h mit einer Genauigkeit von kleiner 1% bedeutet, das bei einer Fließgeschwindigkeit von 2 m/s, die Solldosiermenge etwa 0,28 ml gleichmäßig in einem Meter Leitung verteilt beträgt, und die Abweichung nur 0,0028 ml in einem Meter Leitung betragen darf. Das Einhalten dieser Toleranzen ist technisch möglich. Mit einem hierfür konstruierten Dosierstrang kann man aber nicht 50 oder 100 l/h dosieren. Der konstruktive Aufwand zur Realisierung von Durchflussmengen von unter 100 l/h mit entsprechender Dosiergenauigkeit unter Berücksichtigung der Reinigungsfähigkeit ist relativ groß. Meistens ist es möglich durch eine Rezepturanpassung (hinzufügen von Wasser) diese Dosiermengen zu vergrößern und den technischen Aufwand zu verringern, wobei die Wirtschaftlichkeit direkt verbessert wird.

Bei der Analyse der Rezepturen und der Produktionsmengen wird man häufig zu dem Resultat kommen, das jede mögliche Anlagenlösung einen Kompromiss darstellen würde. Bei größeren Betrieben lohnt es sich häufig, verschiedene Systeme nebeneinander zu betreiben. So haben klassische Sirupräume und Ausmischanlagen auf Sirup- bzw. auf Getränkestufe nebeneinander ihre Daseinsberechtigung.

Die Anforderungen an die Behälter sind in vielen Bereichen gleich und in nur sehr wenigen unterschiedlich.

Um eine Anlage vernünftig automatisieren zu können benötigt man Bauhöhe! Eine Tankauslaufhöhe von 1,80 m ist für die meisten Anlagen sinnvoll und auch ausreichend. Geringere Auslaufhöhen sollte man nur planen, wenn man durch eine Detailplanung sich davon überzeugt hat, das die geringere Auslaufhöhe wirklich ausreicht. Es gibt immer noch Tankhersteller, die die Beine eines Tanks ausschließlich für eine statische Belastung berechnen. Zum einen sind die Tanks meist mit Rühreinrichtungen ausgestattet, zum anderen stehen die Tanks nicht unbedingt vollkommen waagerecht; die Tanks werden befüllt und entleert und möglicherweise wird auch einmal eine Leiter angelehnt. So stumpfsinnig dies klingt, ein Tankbauer hat zum Beispiel einen großen Drucktank gefertigt und den Druck jedoch nur für einen leeren, d.h. mit Druckluft befüllten Tank berechnet. Der Kunde hatte hier „versäumt“ dem Tankbauer zu sagen, das er in dem Tank gleichzeitig Getränk und Druck haben wollte.

Man sollte sich nicht scheuen, verbal, trivial die Funktion und Erwartung in die Bestellung zu schreiben. Der Betriebsingenieur einer sehr großen nordamerikanischen Brauerei schrieb einmal in eine Bestellung, das er eine „Dampflock“ und keinen „italienischen Sportwagen“ erwarten würde.

Auch die Beständigkeit z.B. von Dichtungen ist regelmäßig ein Streitthema. Einige Tankbauer vermuten offensichtlich, das durch die Sprühkugel nur Wasser gespritzt würde und zeigen sich äußerst verwundert wenn der Kunde mit Lauge und Säure cippen möchte.

Probenahmeventile werden von den meisten Armaturenherstellern mit Rohrgewinde angeboten. Gefragt, wo man die denn einsetzen würde bekommt man zur Antwort, dass diese Ausführung sehr gut und zwar insbesondere an Tankbauer verkauft würde. Die schweißen dann einfach eine Muffe in die Tankwand und schrauben das Probenahmeventil mit Flachdichtung oder Teflonband abgedichtet in den Tank. Falls dieses Probenahmeventil in die Zarge eingebaut wird, ist es nicht nur unhygienisch sondern auch unbedienbar, da durch die Auslaufhöhe von 1.800 mm, die Zarge je nach Tankdurchmesser erst in etwa 2.200 mm Höhe anfängt. Probenahmeventile, deren Sitz in den Tank eingeschweißt wird und die während der Reinigung automatisch betätigt werden, sind die absolute Ausnahme. Selbst in Steriltanks sucht man sie meist vergebens.

In zahlreichen Tanks muss der Inhalt vermischt oder müssen Trockenstoffe gelöst werden.

Es gibt Firmen, die sich ausschließlich mit Rührwerken beschäftigen. Man könnte erwarten, das sie Spezialisten wären, um das optimale Rührwerk für eine bestimmte Aufgabe auszuwählen. Leider sind sie jedoch meist vollkommen überfordert, wenn der Anwender auflistet, was er alles mit ein und demselben Rührwerk anfangen will. Wie bei Pumpenauslegungsprogrammen wird nach einem Betriebspunkt gefragt. In der realen Wert kommen Punkte jedoch nicht vor. Die prinzipielle Entscheidung für oder gegen ein Prinzip kann der Rührwerksspezialist ebenfalls kaum wertfrei treffen, da er hinter jeder Rührwerksaufgabe die von seiner Firma verfügbare Technik sieht.

In Grundstoffbehältern, die nicht für eine einzige Charge verwendet werden, muss der Inhalt zunächst gemischt werden. Danach ist sicherzustellen, das der Inhalt sich nicht entmischt. Diese Aufgabe erscheint auf den ersten Blick sehr einfach zu sein. Eine erschwerende Bedingung ist, das diese meist etwa 1000 l fassenden Grundstoffbehälter nicht genormt sind und dass das Rührwerk in den Rührwerksbehälter eine gewisse Zeit vor der Entnahme des Grundstoffs eingesetzt werden muss. Da der Füllstand abnimmt, muss das Rührwerk einen vollen ebenso wie einen fast leeren Behälter rühren können ohne nennenswerte Mengen Luft einzuschlagen. Schnelllaufende, kleine Rührwerke können einen fast leeren Grundstoffbehälter randvoll mit einem cremigen Schaum auffüllen, der selbst in einer Woche nicht wieder zusammen fällt. Eine Verarbeitung dieses Grundstoffschaums ist nur noch gravimetrisch möglich, wobei Massedurchflussmesser bei solch hohen Gasmengen nicht mehr für die Messung geeignet sind.

Langsamlaufende, große Rührwerke mit elektromotorischem Antrieb sind relativ schwer und unhandlich, sodass für ihren Einsatz Hebevorrichtungen benötigt werden. Große Balkenrührwerke mit luftmotorischem Antrieb sind zwar leichter zu handhaben, die Überwachung der Drehzahl ist jedoch aufwendiger und die Abluft aus dem Luftmotor kann ein hygienisches Problem darstellen, falls die Druckluft nicht entsprechend aufgearbeitet wurde. Der Energiebedarf des Luftmotors ist etwa 100 mal höher als der des Getriebemotors.

Ein europäischer Franchisenehmer, der eine der hochwertigsten maschinellen Einrichtungen unter extrem professioneller Führung betreibt, hat durch Versuchsreihen, die nach wissenschaftlich abgesicherten Kriterien durchgeführt wurden, nachgewiesen, das die Limonadengrundstoffe durch das Einleiten von CO2 homogenisiert werden können, ohne das sich nennenswerte Mengen an CO2 lösen. Die erzielten Dosiergenauigkeiten in diesem Betrieb liegen im Bereich des nach dem Stand von Wissenschaft und Technik heute möglichen. Da dies ein absoluter Vorzeigebetrieb ist, hat der amerikanische Franchisegeber, entgegen seiner sonstigen Firmenphilosophie, diesem Betrieb erlaubt, die Grundstoffe mit dieser Methode zu „rühren“.

Früher wurden Siruptanks fast ausschließlich mit relativ schnelllaufenden, mechanischen Rührwerken ausgerüstet. Umdrehungszahlen von 1000 min 1 oder 1500 min 1 waren keine Seltenheit. Selbst wenn die Tanks bis zur Nennfüllmenge gefüllt waren wurde relativ viel Luft eingeschlagen, so dass trotz Entlüftungszeiten von mindestens einer Stunde, sich in der oberen Schicht kleine Luftblasen sammelten, die sogar nach einem eintägigem aging noch vorhanden waren und die Dosiergenauigkeit, der mit volumetrischen Dosiereinrichtungen ausgerüsteten Mixer, negativ beeinflussten. Wenn kleinere Ansätze gerührt wurden, endete dies durch den erheblichen Lufteintrag regelmäßig in größeren Mengen von nicht verkaufsfähigem Produkt.

Zur gleichen Zeit waren in Molkereien Strahl- bzw. Pumpenrührwerke im Einsatz. Da diese ebenso falsch ausgelegt waren wie die mechanischen Rührwerke in Betrieben der AFG-Industrie, vollzog sich der Wandel dort genau entgegengesetzt.

Prinzipiell kann mit einem Pumpenrührwerk mindestens so effektiv gerührt werden wie mit einem mechanischen Rührwerk. Das Pumpenrührwerk hat jedoch zahlreiche Vorteile bei der Reinigungsfähigkeit und der Wartung.

Wenn man lehrbuchgerecht ein Pumpenrührwerk einbaut, wird man die Flüssigkeit leicht in eine Rotation versetzen können. Für den Whirlpool in einer Brauerei, wo es darum geht Trubstoffe von der Flüssigkeit zu trennen, ist dies sehr sinnvoll und gewollt. Zum Mischen oder Lösen von Trockenstoffen ist dies jedoch nicht sonderlich effektiv.

Zum Lösen oder Mischen benötigt man Differenzgeschwindigkeiten. Wenn man z.B. warmes und kaltes Wasser mischen will, unterscheiden sich diese beiden Stoffe vornehmlich in der Dichte. Die durch die Temperatur verursachten Unterschiede in der Viskosität sind zu vernachlässigen. Durch Turbulenzen werden einzelne Moleküle abgebremst und andere beschleunigt, so dass dies bei Wasser mit verschiedene Temperaturen ausreicht.

Mechanische Rührwerke in Siruptanks sind im Prinzip Axialpumpen, d.h. sie pumpen die zu mischenden Bestandteile in Richtung Tankboden oder seltener in Richtung Flüssigkeitsspiegel. Wenn sie vom Rührflügel erfasst werden, werden sie beschleunigt und durch die unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften gemischt. Die verbleibende Zeit wandern sie relativ gezielt im Tank umher ohne sich weiter zu mischen, bis sie wieder vom Rührwerk erfasst werden.

Beim Pumpenrührwerk findet im Pumpengehäuse eine Radialbeschleunigung statt, die im Allgemeinen effektiver ist als die mit einem mechanischen Rührwerk erzielbare. Wenn nun über eine Düse die Flüssigkeit in den Tank eintritt, wird ein Teil der Flüssigkeit im Tank mitgerissen und beschleunigt und der Hauptstrahl erfährt eine negative Beschleunigung. Wenn der Strahl auf die gegenüberliegende Tankwandung trifft entstehen Turbulenzen. Je nachdem wie diese Düse gestaltet und angeordnet ist, kann dies sehr effektiv sein.

Wenn auch Trockenstoffe gelöst werden sollen ist es bei diesen Pumpenrührwerken notwendig einen konischen Tankboden vorzusehen, da sich Trockenstoffe auf einem flachen Tankboden absetzen könnten.

Vor einigen Jahren hat ein Hersteller die gebrauchmustergeschützte Düse speedisolv für Tanks mit flachem Tankboden entwickelt. Hier ist der Eintritt zentrisch im Tankboden. Der größte Teil der Flüssigkeit streicht über den Tankboden und reißt die zu lösenden Feststoffe mit. Da der Auslauf ebenfalls zentrisch angeordnet ist entsteht für alle Stoffe mit einer höheren Dichte dies sind im allgemeinen die Trockenstoffe ein Kurzschluss; d.h. sie werden in der Pumpe beschleunigt, in der Rohrleitung abgebremst, in der Düse erneut beschleunigt und auf dem Weg zur Tankwandung wieder abgebremst. An der Tankwandung entstehen durch die Umlenkung Turbulenzen. Die Flüssigkeit fliest nun über den Tankboden zurück zum Zentrum und passiert dann erneut die Pumpe.

Ein kleiner Teilstrom mischt durch eine Aufwärtsdrehbewegung den restlichen Tankinhalt. Der Flüssigkeitsspiegel ist bei diesem Verfahren nahezu unbewegt, d.h. die eingebrachte Energie wird fast ausschließlich zum Mischen und Lösen verwendet.

Diese Düse wird von dem Hersteller zu dem Lösesystem Powderpower komplettiert, wobei die Trockenstoffe durch das natürliche Saugvermögen einer Kreiselpumpe eingesaugt werden. Dies ist viel effektiver und wirtschaftlicher als das Einsaugen über nach dem Venturiprinzip arbeitenden Strahlpumpen.

Ein AFG-Hersteller hat durch eine so veränderte Rührtechnik die Lösezeit für die Herstellung einer Tafelwassersole von über 2 Stunden auf unter 10 Minuten verkürzt, wobei die installierte Antriebsleistung nahezu konstant blieb.

Auch wenn sich „Lirum larum Löffelstiel“ ein wenig wie ein Zauberspruch anhört, ist eine effektives Lösen und Mischen keine Hexerei.

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