Industrielles Mischen neu gedacht: Konzepte jenseits konventioneller Rührkesselreaktoren

In vielen industriellen Prozessen wird das Mischen eher als unterstützende Operation denn als primäre Designvariable betrachtet. Konventionelle Rührkesselreaktoren bleiben in der chemischen, biochemischen und pharmazeutischen Industrie die Standardwahl, werden oft früh in der Verfahrensplanung festgelegt und selten neu bewertet. Der wachsende Druck in Bezug auf Energieeffizienz, Prozessrobustheit und Downstream-Stabilität lenkt jedoch die Aufmerksamkeit verstärkt auf Mischkonzepte und deren Auswirkungen auf die Gesamtprozessleistung.

Warum werden Mischkonzepte neu bewertet?

Mischen spielt eine entscheidende Rolle bei der Bestimmung des lokalen Energieeintrags, der Strömungsprofile und der Verweilzeitverteilung in Prozessbehältern. Je sensibler Prozesse auf Schwankungen reagieren, insbesondere bei Anwendungen mit Feststoffen, Mehrphasensystemen oder schersensiblen Materialien, desto sichtbarer werden die Grenzen konventioneller Mischansätze. Designentscheidungen, die einst als ausreichend galten, können unter modernen Betriebsbedingungen zu Ineffizienzen, Fouling-Risiken oder Scale-up-Herausforderungen führen.

Dies hat sowohl die Industrie als auch die Wissenschaft dazu veranlasst, zu hinterfragen, ob konventionelle Rührkesselreaktoren für komplexe Mischaufgaben immer die geeignetste Lösung darstellen.

Was sagt die aktuelle unabhängige Forschung über Vibromischer?

Eine aktuelle unabhängige Übersichtsarbeit in Chemical Engineering & Technology (2026) untersucht Vibromischer als Alternative zu konventionellen Rührkesselreaktoren, mit Fokus auf Konstruktionsprinzipien, Hydrodynamik, Leistungsmerkmale und industrielle Anwendungen.

Die Studie zeigt, dass Vibromischer auf Schwingungsbewegung statt auf rotierenden Rührerblättern basieren, um Fluidströmung und Feststoffsuspension zu erzeugen. Anstelle einer rotierenden Welle schwingt eine perforierte Platte mit hoher Frequenz und geringer Amplitude und erzeugt dabei wechselnde Druckzonen, die eine starke, kontrollierte axiale Rezirkulation bewirken. Dieser grundlegende Unterschied führt zu anderen Strömungsregimen und Energieverteilungscharakteristika im Vergleich zu konventionellen Rührkesselreaktoren.

Gimba et al., Vibromixers as an Alternative to Stirred Tanks: Design, Performance Characteristics, and Applications, Chemical Engineering & Technology, 2026. Independent paper: Read here

Turbulenzübergang: ein entscheidender Unterschied

Einer der bedeutsamsten Befunde betrifft den Übergang zur Turbulenz. Vibromischer erreichen turbulente Strömung bei deutlich niedrigeren Reynolds-Zahlen als konventionelle Rührkesselreaktoren, was bedeutet, dass effizientes Mischen bei wesentlich geringerem Energieeintrag erreicht wird.

Energieverbrauchsvergleich

Der Leistungsunterschied zeigt sich am deutlichsten beim Vergleich des spezifischen Leistungseintrags. In der Übersichtsarbeit zitierte Literaturdaten zeigen folgendes:

Ein perforierter Vibromischer arbeitet mit etwa 17-mal geringerem spezifischem Leistungseintrag als ein konventioneller Rushton-Rührer. Für energiebewusste Prozesse oder solche mit strengen Temperaturkontrollanforderungen ist dieser Unterschied praktisch relevant.

Mischdauerleistung

Dimensionslose Mischzeiten folgen demselben Trend:

Dies spiegelt die Effizienz der axialen Rezirkulation als Bulk-Homogenisierungsmechanismus wider, insbesondere in höheren oder geometrisch komplexeren Behältern.

Wie beeinflusst das Mischen die Downstream-Prozessleistung?

Die Mischbedingungen stromaufwärts beeinflussen direkt die nachgelagerten Verfahrensschritte. Bei Prozessen mit Kristallisation, Fällung oder Fest-Flüssig-Trennung wirken sich lokale Scherraten, Konzentrationsgradienten und Suspensionsstabilität auf die Partikelgrößenverteilung, das Agglomerationsverhalten und die Filtrierbarkeit aus.

Die Übersichtsarbeit betont, dass ein homogener Energieeintrag und kontrollierte Strömungsprofile die Bildung von Feinstoffen reduzieren, lokale Überverarbeitung begrenzen und die Konsistenz der Partikelbildung verbessern können. Das Fehlen eines zentralen Wirbels und die Dominanz axialer gegenüber tangentialer Strömung tragen ebenfalls zu einer gleichmäßigeren Suspension in Fest-Flüssig-Systemen bei, einschließlich eines effektiven Einziehens schwimmender Feststoffe.

Scale-up und betriebliche Implikationen

Scale-up bleibt eine zentrale Herausforderung beim industriellen Mischen. Konventionelle Rührkesselreaktoren erfordern bei größeren Volumina oft größere Rührer, höhere Drehzahlen oder mehr installierte Leistung. Vibromischansätze skalieren anders, indem sie die Mischintensität von Drehzahl und Behältergeometrie entkoppeln. Die Schwingungsgeschwindigkeit, gesteuert durch Amplitude und Frequenz, kann unabhängig von der Behältergröße angepasst werden.

Die mechanische Einfachheit des Designs, keine rotierenden Wellendichtungen, keine Rührer, keine Strömungsbrecher erforderlich, reduziert zudem den Wartungsaufwand und unterstützt den Steril- oder Vakuumbetrieb ohne zusätzlichen konstruktiven Aufwand.

Welchen Bezug hat FUNDAMIX® zu dieser Forschung?

Der FUNDAMIX® Vibromischer von DrM arbeitet nach denselben Schwingungsprinzipien, die in der unabhängigen Übersichtsarbeit beschrieben werden. Er verwendet eine elektromagnetisch angetriebene perforierte Platte mit konischen Perforationen, die eine gerichtete Strömungskontrolle ermöglichen und je nach Prozessanforderungen entweder Auf- oder Abwärtspumpen realisieren.

Die Technologie hat eine längere Geschichte als das jüngste wissenschaftliche Interesse vermuten lässt. Der FUNDAMIX® wurde ursprünglich in den späten 1960er Jahren von Dr. Hans Müller, dem Gründer von DrM und Chemap AG, erfunden und macht DrM zu einem der frühesten Pioniere des elektromagnetischen Hochfrequenz-Vibrationsmischens für industrielle Prozesse. Das System wurde 2012 mit modernen Materialien und Automatisierungstechnik neu konstruiert und wiedereingeführt, doch das zugrundeliegende Prinzip ist seit Jahrzehnten in industriellen Umgebungen bewährt.

Die Technologie hat breite industrielle Anwendung in der Säugetierzellkultur, Fermentation, Impfstoffproduktion und biopharmazeutischen Prozessen gefunden, wo die Kombination aus schonendem Bulk-Mischen, geringer Scherung, sterilisierbarem Design und Vakuumkompatibilität besonders gut geeignet ist. Die Übersichtsarbeit erkennt an, dass elektromagnetische Vibromischer dieses Typs industriell weit verbreitet sind, während sie darauf hinweist, dass eine detaillierte akademische hydrodynamische Charakterisierung noch im Entstehen ist, ein gängiges Muster für Technologien, bei denen die industrielle Implementierung der wissenschaftlichen Modellierung vorausging.

Zusammenfassender Vergleich der wichtigsten Parameter:

Warum ist dies für Verfahrensingenieure relevant?

Die hier dargestellten Datenpunkte, Energieverbrauch, Turbulenzübergang und Mischzeit, bieten einen praktischen Rahmen für den Vergleich von Mischoptionen bei der frühen Prozessplanung oder bei der Neubewertung bestehender Konfigurationen. Für Ingenieure, die mit schersensiblen Materialien, Mehrphasensystemen oder Prozessen arbeiten, bei denen die Qualität der Downstream-Trennung kritisch ist, stellt das Vibromischen eine technisch fundierte Alternative dar, die es zu evaluieren lohnt.

Referenz:
Independent academic review: Gimba et al., Vibromixers as an Alternative to Stirred Tanks: Design, Performance Characteristics, and Applications, Chemical Engineering & Technology, 2026.
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/ceat.70149