Inline-Viskositätsüberwachung zur Optimierung von Abfüllanlagen für Konsumgüter

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Inhaltsverzeichnis

• 1. Einleitung
• 2. Abfüllanlagen für Consumer-Care-Produkte
• 2.1 Wichtige Anwendungen
• 2.2 Die Bedeutung von Viskosität und Dichte in Abfüllanlagen für Konsumgüter
• 2.3 Produktions-/Anwendungsprozess
• 3. Rheonics Übersicht über Inline-Sensoren Typ SR
• 3.1 Hygienezertifizierung
• 4. Empfohlene Installation
• 4.1. Überlegungen zur mechanischen Installation
• 4.1.1. SRV- und SRD-Installationsanforderungen
• 4.1.2. Zusätzliche SRD-Installationsanforderungen
• 4.2. Gemeinsame Lösung durch Rheonics
• 5. Prozessbedingungen und Best Practices
• 6. Referenzen

Hersteller von Pflegeprodukten benötigen Präzision bei der Formulierung und Verpackung, um Produktkonsistenz, Verbrauchersicherheit und die Einhaltung gesetzlicher Vorschriften zu gewährleisten. Abfüllanlagen spielen in diesem Prozess eine zentrale Rolle und stehen vor vielfältigen Herausforderungen. Dazu gehören die Handhabung von Produkten mit unterschiedlichsten Viskositäten, die Vermeidung von Schaumbildung oder Fadenbildung beim Abfüllen und die Sicherstellung eines genauen Nettoinhalts in verschiedenen Verpackungsformaten.

Viskositäts- und Dichteschwankungen in Rohstoffen und Endprodukten, Temperaturempfindlichkeit und Chargenstabilität während des Prozesses erschweren die Produktion. Üblicherweise werden traditionelle, laborbasierte Probenahmemethoden eingesetzt, die jedoch nur gelegentliche Erkenntnisse liefern, Veränderungen der Flüssigkeitseigenschaften jedoch nicht in Echtzeit erfassen können. Inline-Messungen hingegen bieten kontinuierliche Echtzeit-Sichtbarkeit des Prozesses und ermöglichen so eine schnellere Steuerungsreaktion.

Rheonics Sensoren bieten erhebliche betriebliche und wirtschaftliche Vorteile für Abfüllanlagen von Konsumgütern, da sie über die Messgenauigkeit hinausgehen und die Effizienz, Zuverlässigkeit und Kosteneinsparungen verbessern:

• Messen Sie präzise die Viskosität, Konsistenz, Dichte, Konzentration und Temperatur von Pflegeprodukten.

• Liefern Sie zuverlässige Leistung unter hohen Druck- und Temperaturbedingungen.

• CIP-fähig und EHEDG-zertifiziert, mit hygienischen Prozessanschlüssen wie Tri-Clamp, Varinline und mehr.

• Einfache Integration mit SPS-/DCS-Systemen über Profinet, Modbus, Ethernet/IP, 4–20 mA-Ausgänge und mehr.

• Werkseitig kalibriert und für jede Flüssigkeit geeignet; keine Neukalibrierung erforderlich.

• Verbessern Sie die Linieneffizienz, reduzieren Sie Produktverluste und Ausschusschargen, was bereits im ersten Jahr zu einer Investition in Offset-Sensoren führt.

Pflegeprodukte wie Shampoos, Lotionen, Cremes, Gele und Zahnpasten erfordern eine präzise Produktionskontrolle. Abfüllanlagen für diese Produkte benötigen eine präzise Kontrolle der rheologischen Eigenschaften wie Viskosität und Dichte. Dies gewährleistet Produktstabilität und eine konsistente Dosierung während der Verpackung und Qualitätskontrolle.

Diese Produkte lassen sich in zwei Hauptgruppen einteilen: Flüssigkeiten und Halbfeststoffe, und sie können in verschiedene Verpackungsarten wie Flaschen, Beutel, Tuben, Gläser und Aerosole abgefüllt werden.

Produkte in jeder Kategoriegruppe erfordern eine unterschiedliche Art von Verpackung, die unterschiedliche Herstellungstechniken erfordert. Dazu gehören:

Starre Behälter (Flaschen, Spender und Gläser)

Diese Behälter bestehen normalerweise aus Kunststoff und manchmal aus Glas und sind die gängigste Darreichungsform für dünnflüssige und cremige Produkte (z. B. Shampoos, Spülungen, Flüssigwaschmittel, Flüssigseife, Mundwasser, Cremes und Lotionen). Gängige Abfüllmethoden sind Schwerkraft, Überlauf, Kolben, Exzenterschneckenpumpen oder Vakuumabfüllung.

Sachets (Flexible Beutel)

Auch für flüssige und cremige Produkte üblich, sind diese jedoch aufgrund ihrer wirtschaftlichen und einfachen Präsentation in Massenmärkten beliebt. Sie erfordern unterschiedliche Abfüllverfahren, wie Form-Fill-Seal (FFS) oder Beutelfüllsysteme mit Dosierpumpen.

Röhren

Häufig für halbfeste Produkte wie Zahnpasta, Gele, Salben und Cremes. Tuben bestehen normalerweise aus Kunststoff oder Aluminium und werden mit einem Kolben- oder Pumpenfüller befüllt und anschließend verschlossen.

Sprühdosen (Aerosol, Zerstäubungsdosen)

Kommt in Produkten wie Deodorants, Rasierschaum, Haarspray und einigen Hautpflegeprodukten vor. Dabei müssen sowohl die flüssige Formulierung als auch das Treibmittel (Druckgas oder Flüssiggas) gehandhabt werden.

Die Viskosität ist ein Maß für den Fließwiderstand einer Flüssigkeit. Bei Abfüllanwendungen für Konsumgüter beeinflusst sie den Produktfluss durch die Anlage, die Dosiergenauigkeit und die Sauberkeit der Verpackung.

• Füllgenauigkeit und Dosierpräzision: Die Viskosität bestimmt, ob ein Produkt gleichmäßig durch Düsen fließt oder Probleme wie Fadenbildung, Tropfen oder Spritzen verursacht.

• Produktstabilität und Haltbarkeit: Die richtige Viskosität trägt dazu bei, dass Emulsionen und Suspensionen stabil bleiben und verhindert Phasentrennung, Sedimentation oder Texturverschlechterung.

Die Dichte bezeichnet die Masse eines Materials pro Volumeneinheit. Bei Abfüllanwendungen in der Konsumgüterindustrie steht sie in direktem Zusammenhang mit der Produktkonsistenz, der Verpackungskonformität und der Qualität der Formulierung.

• Nettoinhaltskontrolle: Die Dichte beeinflusst das Volumen-Masse-Verhältnis und stellt sicher, dass die Behälter die angegebenen Gewichts- oder Volumenanforderungen erfüllen und dass eine Unter- oder Überfüllung verhindert wird.

• Konsistenz der Formulierung: Dichteschwankungen können auf Abweichungen in den Rohstoffanteilen, Temperatureffekte oder Prozessinstabilitäten hinweisen, die die Produktleistung beeinträchtigen können.

Alle Abfüllprozesse beginnen in einem Mischer oder Vorbereitungstank, wo das Produkt entweder vorbereitet oder nach der Produktion gelagert wird, um eine ordnungsgemäße Mischung und Homogenisierung zu gewährleisten. In dieser Phase trägt die Überwachung von Dichte und Viskosität dazu bei, die Produktgleichmäßigkeit sicherzustellen, was sich direkt auf die nachfolgende Abfüllqualität und Chargenkonsistenz auswirkt. Von hier aus kann die Mischung verschiedenen Abfüllprozessen zugeführt werden. Typischerweise wird das Produkt zunächst in einen Puffertank gepumpt, wo Sensoren entweder entlang der Transferleitung oder am Puffertank selbst installiert werden können, um das Endprodukt vor der Abfüllung zu überwachen.

Für Schwerkraft- und Überlauffüllprozesse (Abbildung 7)Sensoren können im Puffertank oder in der Transferleitung installiert werden, um den Produktzustand vor dem Abfüllen zu überwachen und sicherzustellen, dass das Produkt die richtige Fließfähigkeit durch die Abfüllleitungen behält. Dies garantiert eine wiederholbare Chargenleistung und reduziert das Risiko von Chargenfehlern aufgrund von Durchflussinkonsistenzen.

Für Aerosol- und Form-Fill-Seal (FFS)-Abfüllprozesse (Abbildung 8)Sensoren können vor den Fülldüsen platziert werden, um sicherzustellen, dass das Produkt den richtigen Zustand für die Injektion beibehält. Die Überwachung in dieser Phase hilft, Düsenverstopfungen und Über- oder Unterfüllungen zu vermeiden und so die korrekte Nettomasseabfüllung in Beuteln und Sprühdosen sicherzustellen.

Wir begegnen auch Prozessen mit hochviskosen Flüssigkeiten wie halbfesten Stoffen oder Pasten, beispielsweise Zahnpasta, Gele, Salben und Cremes, bei denen die Produkte typischerweise in Tuben verpackt sind, (Abbildung 9)Dieser Prozess ähnelt eher einem Extrusionssystem: Das Produkt wird zunächst in einen Trichter gefüllt und dann von einer Dosierkolbenpumpe gefördert, die das Material in die Tube spritzt, bevor diese verschlossen wird. Bei diesem Aufbau kann der Sensor in der Produktzuleitung oder im Trichter installiert werden, um den Produktzustand zu überwachen und die Fließfähigkeit durch die Einspritzdüsen sicherzustellen. Alternativ kann der Sensor in der Einspritzleitung selbst platziert werden; dies ist jedoch nur dann sinnvoll, wenn das Produkt in einem kontinuierlichen Prozess und nicht in kurzen, einheitenbasierten Füllzyklen eingespritzt wird.

Rheonics Sensoren vom Typ SR (SRV und SRD) ermöglichen kontinuierliche Inline-Messungen von Viskosität, Dichte und Temperatur zur Prozessüberwachung und -steuerung. Der SRV misst Viskosität und Temperatur, während der SRD zusätzlich die Dichte misst.

Diese Sensoren sind werkseitig kalibriert und müssen während ihrer Lebensdauer nicht neu kalibriert werden. Kunden können jedoch im Rahmen ihrer Qualitätskontrolle eine Kalibrierung oder Überprüfung der in ihrer Branche eingesetzten Instrumente verlangen. Optionale Nachjustierungen oder Offsetkorrekturen können bei Bedarf durchgeführt werden, um bestimmte Referenzwerte zu erreichen.

Alle Sensoren sind werkseitig kalibriert und benötigen während ihrer gesamten Lebensdauer keine Neukalibrierung. Bestimmte Branchen verlangen jedoch im Rahmen ihrer Qualitätskontrolle eine Überprüfung oder Kalibrierung. Außerdem können Neujustierungen oder Offsetkorrekturen zur Anpassung an bestimmte Referenzstandards vorgenommen werden. Weitere Informationen finden Sie unter Kalibrierung des Inline-Prozessviskosimeters SRV vor Ort und im Werk.

Rheonics Die Sensoren arbeiten mit einer patentierten Technologie, dem Balanced Torsional Resonator (BTR). Diese Technologie bietet klare Vorteile gegenüber alternativen Technologien: Die Sensoren sind kompakt, leicht und unempfindlich gegenüber externen Vibrationen.

Rheonics SRV- und SRD-Sensoren sind bewährte Lösungen in Abfüllanlagen für Konsumgüter. Sie liefern Echtzeitmessungen von Viskosität und Dichte und stellen so sicher, dass Produkte wie Shampoos, Lotionen, Cremes, Gele und Aerosole während des gesamten Abfüllprozesses konstante Fließeigenschaften aufweisen. Kontinuierliche Inline-Überwachung verbessert die Chargengleichmäßigkeit, minimiert Produktabfälle und steigert die Effizienz und Zuverlässigkeit der Abfüllanlage insgesamt.

Standardmäßig Rheonics Sonden vom Typ SR zeichnen sich durch ein hygienisches mechanisches Design aus, das ihre Eignung für hygienische Anwendungen gewährleistet. Auf Wunsch können sie auch mit Zertifizierungen anerkannter Organisationen wie 3-A und EHEDG geliefert werden.

Für weitere Informationen, besuchen Sie Rheonics hygienische und sanitäre Installation.

Es ist wichtig, bestimmte Installationsaspekte hervorzuheben, die sowohl für Rheonics Sensoren, SRV und SRD. Unabhängig von der Variante hat jeder das gleiche Resonatordesign in allen Varianten, und die ordnungsgemäße Installation hängt von der richtigen Positionierung des Sensorbereichs der Sonden ab (rot markierte Bereiche in Figure 13). Die wichtigsten Punkte sind:

• Der Bereich sollte frei von Ablagerungen oder Hindernissen sein

• Der Bereich sollte vollständig in die betreffende Flüssigkeit eingetaucht sein.

Zusätzlich zu den beiden oben genannten Hauptanforderungen gibt es für den SRD-Sensor zwei weitere Aspekte:

• Aufrechterhaltung der thermischen Stabilität, wenn die Flüssigkeit und die äußere Umgebung einen Temperaturgradienten von mehr als 15 °C aufweisen. (Nur für SRD, weitere Informationen hier: Aufrechterhaltung des Temperaturgleichgewichts des SRD für hohe Dichtegenauigkeit)

• Richten Sie die Sensorspitze auf die Strömungsrichtung der Flüssigkeit aus, wie in Figure 14. (Nur für SRD, weitere Informationen hier: SRD-Fluid-Endausrichtung)

Diese Bedingungen können im nächsten Artikel genauer überprüft werden. SRV- und SRD-geeignete Installationen.

Die Rheonics Sensoren vom Typ SR sind modular und kompakt aufgebaut und können daher je nach Anwendung in einer Vielzahl von Konfigurationen eingesetzt werden. Zum Beispiel:

FET-XXT: Tri-Clamp Ellenbogen-T-Shirt

Bei Anwendungen mit hochviskosen Flüssigkeiten oder Partikelgrößen über dem Mikrometerbereich wird eine Winkelinstallation empfohlen. Für solche Fälle Rheonics bietet den FET (siehe Figure 15), eine hygienische Tri-Clamp Winkel-T-Stück mit verkürztem Anschluss, der eine ordnungsgemäße Sensorinstallation gewährleistet.

Der FET ist ausgelegt für die SRV-X3 und SRD-X3, Sensoren in Kurzausführung mit Tri-Clamp Anschlüsse. Es ist in verschiedenen Größen erhältlich (1.5”, 2”, 3”, 4” usw.) und wird mit einer Klemme und Klemmdichtung für die Sonde geliefert. Weitere Informationen finden Sie unter FET-XXT.

HPT-12G: HPHT Hygienische Durchflusszelle

Für hygienische Anwendungen mit kleinen Rohrleitungen oder Schlauchinstallationen, Rheonics bietet den HPT-12G an (siehe Figure 16). Diese Durchflusszelle ist für Hochdruck- und Hochtemperaturprozesse ausgelegt und platziert den Sensor in einer Winkelkonfiguration mithilfe eines Gewindeprozessanschlusses.

Der HPT-12G ist ausschließlich kompatibel mit dem SRV-X1-12G, mit einem G 1/2"-Gewindeanschluss. Dies gewährleistet eine zuverlässige hygienische Abdichtung mit CIP/SIP-Kompatibilität und ist somit ideal für hygienische Anwendungen. Weitere Informationen finden Sie unter HPT-12G.

Hygienisches Weldolet und Ferrule für Typ-SR-Sensoren

Eine senkrechte Installation an einer Rohrleitung, einer Tankwand oder einem Sockel ist eine der häufigsten Konfigurationen. Dies wird typischerweise mit geschweißten Anschlüssen erreicht. Für hygienische Anwendungen Rheonics bietet dedizierte Lösungen für beide Tri-Clamp und G 1/2" Prozessanschlüsse. In diesen Fällen gewährleistet eine kürzere Ferrule ein ordnungsgemäßes Eintauchen des Sensorelements im Vergleich zu einer Standardferrule (siehe Figure 17).

Der WFT-15T (siehe Figure 18) ist ein hygienisches Tri-Clamp Weldolet für Sensoren mit Tri-Clamp Prozessanschlüsse. Es gewährleistet eine zuverlässige, hygienische Abdichtung und das ordnungsgemäße Eintauchen des Sensorelements in hygienischen Anwendungen. Weitere Informationen finden Sie unter WFT-15T.

Der HAW-12G-OTK (siehe Figure 19) ist ein hygienischer Adapter zum Einschweißen für Sensoren mit G 1/2"-Gewindeanschlüssen. Er bietet eine sichere, hygienische Abdichtung und optimales Eintauchen für hygienische Anwendungen. Weitere Informationen finden Sie unter HAW-12G-OTK.

Hier sind einige wichtige Überlegungen zu Abfüllanlagen in Anwendungen für Konsumgüter:

Reinigungsprozess und CIP/SIP-Verfahren

In Abfüllanlagen für Konsumgüter können sich Ablagerungen von viskosen Materialien wie Lotionen, Cremes und Gelen allmählich auf der Sensoroberfläche des SRV oder SRD ansammeln. Regelmäßige Inspektion und Reinigung der Sonde beugen Ablagerungen vor und gewährleisten stabile, zuverlässige Messungen. Hinweise zu geeigneten Reinigungsmethoden finden Sie in So reinigen Sie Ihr Rheonics Sonde?.

Beide Sensoren sind im Hygienedesign gefertigt und eignen sich daher für die Integration in CIP- (Clean-in-Place) und SIP- (Sterilize-in-Place) Systeme. Optional Rheonics bietet auch eine Hygienezertifizierung an.

Partikel und Blasen

Rheonics Sensoren sind robust gegenüber weichen Partikeln im Mikrometerbereich und beeinträchtigen die Messzuverlässigkeit nur minimal. Die Sensorelektronik filtert kleine Störungen automatisch heraus. Größere Partikel können jedoch gelegentlich Spitzen oder Rauschen verursachen, die bei der Datenauswertung berücksichtigt werden sollten.

Wenn es um Blasen geht, unterscheidet sich die Leistung zwischen den beiden Modellen. Die SRV hält stabile Viskositätswerte auch in sprudelnden Flüssigkeiten aufrecht, während die SRD, das sowohl die Viskosität als auch die Dichte misst, reagiert empfindlicher auf eingeschlossene Luft. Hohe Blasenkonzentrationen werden für das SRD nicht empfohlen, da sie die Dichtegenauigkeit beeinträchtigen können.

Bewegliche Teile und Hindernisse

In Misch- oder Verarbeitungstanks mit Rührwerken, Rührarmen oder anderen mechanischen Rührwerken ist es wichtig, den SRV- oder SRD-Sensor mit ausreichend Abstand zu beweglichen Komponenten zu positionieren. Ein ausreichender Abstand verhindert physische Störungen, verringert das Risiko mechanischer Schäden und gewährleistet gute Messbedingungen.

[1] Plastek Group. „Verpackungen für Körperpflegeprodukte“.

[2] Accutek Packaging. „Überlauffüllung“.

[3] Indiamart „Automatische Beutelverpackungsmaschine“.

[4] TWP. „Arten der Rohrversiegelung“.

[5] Bratney. „Rohr-Form-Fill-Seal-Technologie auf dem Vormarsch“.

[6] First Class Machines. „Aerosol-Abfüllanlage“.

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