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Die mechanische Verfahrenstechnik steht kontinuierlich vor der Herausforderung, Misch-, Knet- und Konditionierungsprozesse effizienter, schonender und flexibler zu gestalten. Traditionelle Rührwerke und Mischer, obwohl über Jahrzehnte optimiert, weisen systembedingte Grenzen auf, insbesondere bei anspruchsvollen Medien und dem Wunsch nach Losgröße-1-Fähigkeit im industriellen Maßstab.

Die hs-tumbler GmbH präsentiert mit dem Trajectory Mixer eine disruptive Technologie, die das Potenzial hat, etablierte Mischverfahren grundlegend zu verändern. Dieses Dokument bietet Ihnen als Fachkraft einen technischen Einblick in das Prinzip, die Funktionsweise und die überzeugenden Vorteile dieser innovativen Technologie.

Das Prinzip des Trajektionsmischens

Im Kern des hs-tumbler Trajectory Mixers steht ein fundamental neues Mischprinzip: Anstatt das Prozessgut mit rotierenden Werkzeugen zu bearbeiten, wird der Prozessbehälter selbst auf präzise definierten, programmierbaren Bahnkurven bewegt.

• Bewegungsmechanismus: Der Behälter wird mittels hochdynamischer Aktuatoren in mindestens zwei orthogonalen Richtungen gleichzeitig bewegt. Die komplexen, zwei- oder sogar dreidimensionalen Bewegungsmuster, oft visualisiert als Lissajous-Figuren, werden durch die mechanische Addition mehrerer harmonischer Sinusschwingungen erzeugt, die von servogesteuerten Exzentern angetrieben werden. Diese Exzenter erzeugen beim "Abrollen" einen exakten Sinusverlauf. Dieser Aufbau gewährleistet harmonische Sinusbewegungen ohne abrupte Richtungswechsel, selbst wenn die Addition der Kurven teilweise lineare Abschnitte ergibt. Dies trägt maßgeblich zum ruhigen und beanspruchungsarmen Betrieb der Maschine bei.

• Energieeintrag: Die schnelle Bewegung des Prozessbehälters und die resultierenden Beschleunigungen (bis zum 25-fachen der Erdbeschleunigung) erzeugen hohe Kräfte, die direkt auf das Prozessgut wirken. Der Prozessbehälter muss sich so schnell bewegen, dass das Prozessgut mit der Wandung (Innenraum des Prozessbehälters) in Interaktion gerät. Dies geschieht, weil ab einer bestimmten Drehzahl der Exzenter die Beschleunigungskräfte groß genug werden. Aufgrund der Beschleunigungsveränderung im Prozessbehälter kann sich das Prozessgut von einer Wandung ablösen und von einer gegenüberliegenden Wandung, die dem Produkt gegebenenfalls wieder entgegenkommt, aufgefangen werden. Dieses Beschleunigen und schräge Wiederauffangen ist der Mechanismus, der die Energie in das Prozessgut einträgt und die für die Durchmischung notwendigen Scherkräfte erzeugt – von sanft bis kraftvoll. Dies erfolgt immer in einem Winkel und ist kein direkter Schlag, was zur schonenden Verarbeitung beiträgt.

• Wirkung auf das Produkt: Die Trägheit des Materials und die Bewegung des Behälters führen dazu, dass sich das Produkt mit sich selbst und an der Behälterwandung verarbeitet. Durch den Energieeintrag entstehen gezielt Scher- und Zugkräfte im gesamten Volumen des Prozessguts. Diese Kräfte sind für die Durchmischung notwendig und können von sanft bis kraftvoll eingestellt werden, was zur schonenden oder intensiven Verarbeitung beiträgt.

• 100% Engagement: Ein entscheidender Unterschied zu Rührwerken ist, dass beim Trajektionsmischen theoretisch 100% der Prozessmasse gleichzeitig in Bewegung versetzt und bearbeitet werden. Es gibt keine "toten Zonen" oder Bereiche geringerer Durchmischung.

• Rührerlose Technologie: Da keine Werkzeuge in das Produkt eintauchen, entfallen die Nachteile traditioneller Rührer wie Schädigung des Produkts, Wärmeeintrag durch Reibung oder das Risiko von Kontamination und Anhaftungen an den Werkzeugen.

Dieses Prinzip unterscheidet sich grundlegend sowohl von rotierenden Tumblern (die sich langsam um eine Achse drehen) als auch von anderen alternativen Mischern.

Technische Merkmale und überzeugende Vorteile für die Verfahrenstechnik

Der hs-tumbler Trajectory Mixer bietet eine Reihe von Vorteilen, die für die verfahrenstechnische Praxis hoch relevant sind und Bedenken gegenüber neuen Technologien adressieren:

• Prozessintensivierung (Geschwindigkeit): Die Mischzeiten werden drastisch reduziert – oft von Stunden auf Sekunden oder Minuten. Dies ermöglicht einen deutlich höheren Durchsatz auf kleinerer Stellfläche und die Integration in schnellere Prozessketten.

• Energieeffizienz: Der direkte und gezielte Energieeintrag in das gesamte Produktvolumen führt zu erheblichen Energieeinsparungen im Vergleich zu Systemen, die große Massen in Bewegung halten müssen oder Energie über ineffiziente Schnittstellen übertragen. Einsparungen von über 50% und in hochviskosen Anwendungen sogar bis zu 98% der sonst üblichen Energiemenge sind möglich. Dies trägt maßgeblich zur Reduzierung des CO2-Fußabdrucks bei und macht das Gerät BAFA-förderfähig. Die aufzuwendende Energie pro kg bearbeitetem Material bleibt in seiner Kategorie entweder gleich oder sinkt sogar bei größeren Chargen, da der prozentuale Anteil der zu bewegenden Maschinenteile kleiner wird.

• Schonende Verarbeitung: Das Fehlen von Rührwerkzeugen und die kontrollierte Einleitung von Scherkräften minimieren die mechanische und thermische Belastung des Produkts. Dies ist entscheidend für empfindliche Materialien, Emulsionen, Suspensionen oder teigige Massen, bei denen Struktur oder Temperatur kritisch sind. Agglomeratfreiheit kann erreicht werden. Die stufenlose Einstellung der Antriebe und die Beeinflussung der Scherkräfte durch Phasenlage und Adhäsionskräfte erlauben sowohl sehr sensitive als auch kraftvolle Bearbeitung – von Eiersalat ohne Zerstörung der Ei-Scheiben bis hin zum Kneten von Nudelteig.

• Hohe Flexibilität:

  • Produktvielfalt: Das System kann Medien über einen extrem weiten Viskositätsbereich verarbeiten.

  • Anpassung an Materialverhalten: Die programmierbaren Bahnkurven (Frequenz, Phase, Amplitude, Beschleunigung) können dynamisch an die sich ändernden Eigenschaften des Prozessguts während des Mischvorgangs angepasst werden. Dies ermöglicht die Nachbildung der Wirkung verschiedenster Rührwerkzeuge (Knethaken, Schneebesen etc.).

  • Losgröße 1: Die Verwendung kleiner, austauschbarer Prozessbehälter ermöglicht die wirtschaftliche Verarbeitung kleinster Mengen bis hin zur Losgröße 1 im industriellen Maßstab.

• Einfache und zuverlässige Skalierbarkeit: Ein wesentlicher Vorteil des Trajektionsmischens liegt in seiner Skalierbarkeit. Das Prinzip ist von Laborgeräten (z.B. K1 für bis zu 4,5 kg) über Prototypen für Kleinserien (J4 mit 4x 17L Behältern) bis hin zu Systemen für den industriellen Hochdurchsatz (J4 mit bis zu 7,2 t/h) skalierbar. Im Gegensatz zu rührerbasierten Systemen, bei denen das Upscaling oft komplexe Anpassungen der Geometrie, des Energieeintrags und der Prozessparameter erfordert, behält der Trajektionsmischer über alle Skalierungen hinweg die charakteristischen Bahnkurven und Beschleunigungskräfte bei. Dies gewährleistet, dass die Art und Weise, wie das Produkt bearbeitet wird, konsistent bleibt und die Mischergebnisse vom Labor- bis zum Industriemaßstab vorhersehbar sind, was den Aufwand für die Prozessentwicklung und -optimierung beim Upscaling erheblich reduziert. Die Kosten des Aufbaus sind, bedingt durch den technisch einfacheren Aufbau aus mechanisch addierten Sinusschwingungen und standardisierten Komponenten, nicht teurer als andere Systeme gleicher Leistungsfähigkeit.

• Ermöglichung (fast) kontinuierlicher Prozesse: Durch den schnellen Batch-Wechsel kann ein kontinuierlicher Materialfluss simuliert werden, was logistische Vorteile bietet.

• Hygiene und Reinigung: Das geschlossene System und die leichte Austauschbarkeit der Behälter minimieren Reinigungsaufwand und Kontaminationsrisiken.

• Wärmeübertragung: Der exzellente Kontakt zwischen Prozessgut und Behälterwandung aufgrund der Beschleunigungskräfte begünstigt einen effizienten Wärmeübergang in beide Richtungen (Heizen und Kühlen).

• KI-Integration: Die Möglichkeit, Prozessparameter dynamisch mittels KI basierend auf Prozessdaten (z.B. akustische Signale) zu optimieren, verspricht eine weitere Steigerung von Effizienz und Reproduzierbarkeit. KI hilft dabei, immer das optimale Prozessergebnis zu generieren, ohne dass Chargen verworfen werden müssen.

• Geringere Komplexität und Wartung: Das mechanische Addieren von Sinusschwingungen durch Exzenterscheiben und Servomotoren ist technisch einfach gelöst. Der mechanische Aufbau, der die Schwingungen addiert und den Prozessbehälter trägt, ist simpel und baulich leicht. Ersatz- und Verschleißteile sind überwiegend kommerziell erhältliche Komponenten von industriebekannten Herstellern, was die Wartung einfach und günstig macht. Die spanend hergestellten Sonderbauteile sind nicht als Verschleißteil eingeordnet. Bei angemessener Wartung wird eine erwartete Lebensdauer von mindestens 10 Jahren erreicht.

• Einfache Prozessoptimierung und Bedienung: Obwohl die Technologie neuartig ist, gibt es einen Satz von Standardmustern, die zu unterschiedlichen Produktgruppen und Viskositäten passen. Dieses Wissen wird in kurzen hausinternen Schulungen (ca. 30 Min.) vermittelt. Meist reichen wenige Versuche (3-6) aus, um einen attraktiven Bearbeitungskorridor zu finden. Kunden entwickeln zudem erstaunlich schnell ein Bauchgefühl für die Parametrierung. Die Bedienung ist für den Maschinenbediener einfach, da Rezepturen eingelesen werden können, die die notwendigen Bahnkurveninformationen enthalten. Die Nachregelung ist besonders einfach, effektiv und sofort mit dem nächsten Mikrobatch zu sehen, da die Bearbeitung in Mikro-Batches erfolgt. Nur neue Produktentwickler benötigen eine anfängliche Schulung.

• Adressierte Herausforderungen: Ursprüngliche Bedenken hinsichtlich der Langlebigkeit von Linearführungssystemen unter den spezifischen Betriebsbedingungen (kleine Amplitude, hohe Frequenz) und des Schutzes der offenen Laufflächen wurden durch umfangreiche Tests erfolgreich adressiert und die industrielle Anwendbarkeit bestätigt. Auch die Schwingungsdämpfung stellt keine Herausforderung mehr dar, da systembeeinträchtigende Resonanzfrequenzen nicht auftreten. Geringer Abrieb bei abrasiven Materialien kann durch abriebfeste Coatings der Behälter minimiert werden, unterstützt durch die geringere Auflagekraft im Vergleich zu Rührwerkzeugen.

Grenzen traditioneller Mischverfahren (Rührer)

Herkömmliche Mischverfahren, die auf rotierenden Rührwerken basieren, sind seit langem etabliert, weisen jedoch inhärente Nachteile auf, die den Bedarf an innovativen Lösungen wie dem Trajektionsmischen unterstreichen:

• Toträume und unzureichende Durchmischung: Insbesondere in großen Behältern erreichen Rührwerke nicht alle Bereiche gleichermaßen, was zu Zonen mit unzureichender Durchmischung und Anhaftungen an den Wänden führt.

• Produktschädigung: Die mechanische Beanspruchung durch rotierende Rührer kann empfindliche Materialien schädigen, Fasern zerstören oder Partikel zerkleinern, wenn dies nicht gewünscht ist.

• Wärmeeintrag: Die Reibung der Rührwerke im Produkt kann zu unerwünschtem Wärmeeintrag führen, der gegebenenfalls durch Kühlung kompensiert werden muss.

• Reinigungsaufwand: Die Reinigung von Behältern mit komplexen Rührwerken kann zeitaufwendig und schwierig sein, insbesondere bei klebrigen oder hochviskosen Medien.

• Skalierungsprobleme: Die direkte Skalierung von Rührwerken von Labor- auf Produktionsmaßstab ist oft nicht trivial und erfordert umfangreiche Anpassungen und Tests. Herausforderungen beim Upscaling rührerbasierter Systeme umfassen insbesondere die Änderung von Strömungsmustern, Schergradienten und Mischzeiten bei geometrischer Vergrößerung, den überproportionalen Anstieg des Energieeintrags, die Vergrößerung von Toträumen, erhöhte Produktschädigung durch höhere Kräfte und längere Mischzeiten sowie Schwierigkeiten bei der Wärmeabfuhr und veränderte Anhaftungstendenzen.

• Eingeschränkte Flexibilität bei Viskositätsänderungen: Die Effizienz eines Rührwerks ist stark von der Viskosität des Mediums abhängig. Bei Prozessen, bei denen sich die Viskosität ändert, kann ein einzelnes Rührwerk suboptimal arbeiten.

• Kontaminationsrisiko: Dichtungen und Lager im Produktbereich können potenzielle Kontaminationsquellen darstellen.

Anwendungsbereiche in der Verfahrenstechnik

Die Vielseitigkeit des Trajektionsmischens eröffnet Potenziale in zahlreichen Industriezweigen:

• Lebensmittelindustrie: Tumblen und Marinieren von Fleisch und Geflügel (schneller, höhere Ausbeute), Teigherstellung (schonend, konsistent), Herstellung von Feinkostsalaten, Saucen, Emulsionen. Ermöglicht frischere, qualitativ hochwertigere Produkte und neue Konzepte wie Roboterküchen.

• Pharmazeutische Industrie: Herstellung von Salben, Cremes, Gelen, Suspensionen – präzise, hygienisch, reproduzierbar.

• Kosmetikindustrie: Mischen von Cremes, Lotionen, Mascara, Zahnpasta.

• Technische Materialien: Herstellung von Keramikmassen, feuerfesten Mischungen, Abrasiven, Pasten für die Batterieproduktion (Battery Slurries) – für hohe Homogenität und definierte Materialstrukturen.

• Chemische Industrie: Mischen von Klebstoffen, Dichtmassen, Farben, Beschichtungen, Energetika und anderen Spezialchemikalien.

Technischer Status und Entwicklung

Die Technologie hat den Sprung vom Labor in die industrielle Anwendung geschafft:

• K1: Ein Monobehältergerät (bis 4,5 kg) als Vorserienmodell mit ersten Pilotinstallationen in verschiedenen Branchen (Zahnmedizin, Abrasive, Battery Slurry). Die Entwicklung der Temperierbarkeit für diesen Typ steht kurz vor dem Abschluss.

• J4: Ein lastsymmetrisch arbeitender Prototyp mit vier Behältern (je 17L) für industrielle Anwendungen. Dieses System befindet sich mit großem Erfolg in der industriellen Erprobung und zeigt das Potenzial für hohe Durchsätze (bis 7,2 t/h). Erste vollautomatisierte Systeme werden seit März 2025 industriell erprobt und liefern exzellente Ergebnisse.

• Marktdurchdringung: Obwohl die Technologie relativ neu ist (Gründung 2021), war die Resonanz auf Messeauftritten (z.B. IFFA 2025) sehr positiv, mit hohem Interesse von bedeutenden Herstellern. Die Marktdurchdringung schreitet voran, und das Interesse an der disruptiven Technologie ist groß.

• Weiterentwicklung: Fokus liegt auf der Skalierung der Produktionskapazitäten, der Optimierung der Technologie basierend auf Kundenfeedback und der Integration von KI zur weiteren Verbesserung der Prozesssteuerung und Rezepturerstellung.

Auszeichnungen und Anerkennung

Die Innovationskraft des hs-tumbler wurde mehrfach ausgezeichnet:

• DLG International FoodTec Award 2024 in GOLD: Anerkennung für den revolutionären Ansatz in der Lebensmittelverfahrenstechnik.

• Stern Top 500 KMU in Deutschland: Platz 243, was die Innovationsstärke und das Wachstum des Unternehmens unterstreicht.

Fazit

Der hs-tumbler Trajectory Mixer stellt eine bedeutende Weiterentwicklung in der mechanischen Verfahrenstechnik dar. Durch das neuartige Prinzip der Behälterbewegung auf programmierbaren Trajektorien bietet er entscheidende Vorteile gegenüber traditionellen Mischverfahren. Insbesondere die einfache und zuverlässige Skalierbarkeit ist ein Alleinstellungsmerkmal, das die Prozessentwicklung und -übertragung vom Labor in den industriellen Maßstab erheblich vereinfacht. In Bezug auf Geschwindigkeit, Energieeffizienz, Schonung, Flexibilität und Hygiene setzt der hs-tumbler neue Maßstäbe. Die Technologie ist skalierbar und hat das Potenzial, Prozesse in zahlreichen Branchen zu revolutionieren und neue Produktentwicklungen zu ermöglichen. Für Verfahrenstechniker bietet der hs-tumbler ein leistungsfähiges Werkzeug zur Optimierung bestehender Prozesse und zur Realisierung völlig neuer Anwendungen. 
(Stand Q2/2025)