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Forschungsziel: Ein Gemisch von Flüssigkeiten wird als Emulsion bezeichnet, wenn eine Flüssigkeit kleine Tröpfchen einer anderen Flüssigkeit enthält. Emulsionen werden vielfältig in alltäglichen Artikeln, beispielsweise in Cremes und Dispersionsfarben, aber auch in industriellen Produkten, z. B. in Schneidemulsionen, eingesetzt. Um eine Emulsion herzustellen, muss eine Flüssigkeit, wie beispielsweise Öl, in eine zweite, z. B. Wasser, eingerührt werden. Damit eine stabile Emulsion entsteht, werden Hilfsstoffe, sogenannte Emulgatoren, viel Energie für das Aufheizen und Rühren sowie Zeit benötigt. Einfluss auf die Qualität einer Emulsion haben neben den Prozessbedingungen auch die Ausgangsstoffe, deren Güte vor allem bei natürlichen Rohstoffen stark schwanken kann. Ob eine Emulsion den Qualitätsansprüchen genügt, zeigt sich erst in einer der Produktion nachgelagerten Prüfung im Labor. Erfüllt eine Emulsion nicht die Vorgaben, muss sie nachbearbeitet oder schlimmstenfalls ganz verworfen werden.
Dipl.-Ing. Heike Menzel
+49 721 608-31479
heike.menzel@kit.edu
Problemstellung
Ein Gemisch von Flüssigkeiten wird als Emulsion bezeichnet, wenn eine Flüssigkeit kleine Tröpfchen einer anderen Flüssigkeit enthält. Emulsionen werden vielfältig in alltäglichen Artikeln, beispielsweise in Cremes und Dispersionsfarben, aber auch in industriellen Produkten, z. B. in Schneidemulsionen, eingesetzt. Um eine Emulsion herzustellen, muss eine Flüssigkeit, wie beispielsweise Öl, in eine zweite, z.B. Wasser, eingerührt werden. Damit eine stabile Emulsion entsteht, werden Hilfsstoffe, sogenannte Emulgatoren, viel Energie für das Aufheizen und Rühren sowie Zeit benötigt. Einfluss auf die Qualität einer Emulsion haben neben den Prozessbedingungen auch die Ausgangsstoffe, deren Güte vor allem bei natürlichen Rohstoffen stark schwanken kann. Ob eine Emulsion den Qualitätsansprüchen genügt, zeigt sich erst in einer der Produktion nachgelagerten Prüfung im Labor. Erfüllt eine Emulsion nicht die Vorgaben, muss sie nachbearbeitet oder schlimmstenfalls ganz verworfen werden.
Ziel
Ziel des KMU-innovativ-Forschungsprojekts EMULASSIST ist die Entwicklung einer Inlineprüfung für die Emulsionsherstellung. Dazu soll ein geeignetes Ensemble an Sensoren zur messtechnischen Verfolgung der Emulgierung von Kosmetika zusammengestellt werden. Ein zu erarbeitendes Assistenzsystem ermöglicht auf Basis dieser Messdaten in Bezug auf Zeit und Energie die ressourceneffiziente Herstellung der Emulsionen im Rührkessel sowie eine gleichbleibende Qualität verschiedener Prozesschargen.
Vorgehensweise
Zur Ermittlung eines Zustandsbildes der Emulsion werden neben gängigen Sensoren zur Messung von Temperatur, pH-Wert, Leitfähigkeit und Viskosität auch Ultraschallsensoren zur Erhebung der Tropfengröße und ihrer Verteilung eingesetzt. In Versuchsreihen im Labor wird mit ausgewählten Testemulsionen die Eignung verschiedener, am Markt erhältlicher Ultraschallsensoren ermittelt. Danach wird ein 120 l-Rührkessel prototypisch mit adaptierten Sensoren ausgerüstet und in Emulsionsversuchen der Einfluss der Tropfen auf die Streuung bzw. Absorption im Ultraschallfrequenzband untersucht und Zielspektren für „gute“ Emulsionen ermittelt. Die Versuchsergebnisse fließen in die Entwicklung eines Assistenzsystems zur Steuerung des Emulsionsprozesses ein.
Ergebnisse und Anwendungspotenzial
Durch das zu entwickelnde System können mit relativ geringen Investitionen und Umbauten der Energie- und Rohstoffeinsatz sowie der Gesamtzeitaufwand bei der Herstellung von Emulsionen deutlich reduziert werden. Beim Einsatz an allen Rührkesseln der Systemkosmetik sind Einsparung von rund 1 Mio. Euro p.a. möglich. Zusätzlich stehen 15 bis 20 % mehr Fertigungskapazität zur Verfügung. Neben der kosmetischen Industrie ist die Technologie für weitere Bereiche, wie die chemische, die pharmazeutische und die Lebensmittelindustrie, interessant.
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