Einleitung
Im Jahr 2017 wurde die Weltbevölkerung auf 7,5 Milliarden Menschen geschätzt. Bis 2030 wird sie nach Schätzungen der Vereinten Nationen voraussichtlich zwischen 8,5 und 8,9 Milliarden erreichen (Quelle: UN-Demographische Datenbank). Damit stehen wir vor einem gewaltigen Wandel und die wahrscheinlich größte Herausforderung für Wissenschaftler und Landwirte wird sein, in der Zukunft Wege zu finden, die schnell wachsende Weltbevölkerung zu ernähren. Um die weltweite Agrarproduktion zu steigern, gibt es verschiedene Möglichkeiten. Eine davon ist die Vergrößerung des Ackerlandes, was bereits ein wichtiges Thema der öffentlichen Diskussion ist. Doch Anbauflächen sind weltweit nicht unbegrenzt verfügbar, daher ist die Steigerung der landwirtschaftlichen Produktivität durch den Einsatz von Düngemitteln oder durch den Schutz der Nutzpflanzen vor Schädlingen ebenso wichtig.
In diesem Artikel konzentrieren wir uns auf den letzten Punkt: Auf die Produktion von Pflanzenschutzmitteln und hier insbesondere auf einen wichtigen Schritt im Produktionsprozess, dem Mahlen.
Stand der Technik
Herstellprozess von Pflanzenschutzmitteln
Die Hersteller von Pflanzenschutzmitteln entwickeln spezifische Zusammensetzungen oder Formulierungen so, dass die aktiven Moleküle auf das richtige Ziel (Insekten, Unkräuter oder Pilze) mit der richtigen Intensität und zum richtigen Zeitpunkt einwirken, nämlich dann wenn die Kulturpflanze geschützt werden muss. Pflanzenschutzmittel sind daher eine Mischung aus verschiedenen Komponenten, welche in 3 Kategorien eingeteilt werden können:
- Wirkstoffe, von denen es einen oder mehrere in der gleichen Formulierung geben kann.
- Trockene Füllstoffe wie Ton, Talkum, Kaolin oder Kieselerde.
- Hilfsstoffe und Additive, die dem Endprodukt bestimmte Eigenschaften verleihen (als Stabilisator, Netzmittel, Repellent, Antischaummittel...).
Der Prozess zur Herstellung von Pestiziden (Abbildung 1) beginnt unter intensivem Mischen mit der Dosierung der Inhaltsstoffe. Die verschiedenen Mühlen, die im Folgenden vorgestellt werden, werden im Folgeschritt benötigt. Ziel des Herstellprozesses ist es, alle Partikel der verschiedenen Inhaltsstoffe in einer homogenen Partikelgrößenverteilung zu erhalten und eine für die Endanwendung optimale Endfeinheit zu erreichen. Nach dem Mahlen werden mögliche übergroße Partikel durch ein Sicherheitssieb entfernt. Anschließend wird das Produkt in einem zweiten Mischschritt rehomogenisiert und die Bestandteile, die nicht gemahlen werden müssen, werden eingemischt.
Endprodukte sind einmal die sogenannten benetzbaren Pulver (WP, Wettable Powder), die am Ende des Herstellprozesses verpackungsfertig anfallen. Wenn als zusätzliche Stufe eine Pelletierung oder Granulierung erfolgt, wird das erhaltene Endprodukt als wasserdispergierbares Granulat (WG) bezeichnet.
Gründe für das Feinmahlen von Pestiziden mit definierter Oberkornbegrenzung
Je feiner die Wirkstoffe sind, umso effizienter schützen sie die Nutzpflanzen vor Schädlingen (Insekten, Pilzkrankheiten, Unkraut) und man kann die Menge des aktiven Wirkstoffs reduzieren. Dies ist aus Sicherheits-, Umwelt- und wirtschaftlichen Gründen vorteilhaft.
- Weniger toxisches Produkt für den Landwirt und die Nachbarn in der Streuzone.
- Geringere Belastung der Umwelt nach der Behandlung.
- Da aktive Moleküle die teuerste Komponente der Formulierung/Rezeptur sind, erhöht sich der Gewinn für den Pestizidhersteller.
Auch der Endanwender hat Vorteile von fein gemahlenem Pestizidpulver ohne übergroße Partikel:
- Vor der Ausbringung auf die Pflanze muss das Pulver in Wasser dispergiert werden. Die Suspension ist umso stabiler je feiner die Partikel sind. So kommt es während des Betriebs nicht zu einer Sedimentation.
- Die Ausbringung auf die Pflanzen erfolgt durch ein Sprühsystem mit einer Reihe von Düsen. Eine Verstopfung der Düsen durch übergroße Partikel führt zu Störungen beim Ausbringen der Pestizide.
Die Lösung von NETZSCH
Basierend auf den Feinheits- und Spezifikationsanforderungen der Hersteller hat NETZSCH verschiedene Technologien zur Trockenvermahlung von Pflanzenschutzmitteln entwickelt. Dabei ist die Auswahl der richtigen Mühle von verschiedenen Faktoren abhängig und muss sorgfältig erfolgen.
Mechanische Prallmühlen Condux®
Die rotierenden Prallmühlen werden zur Feinvermahlung von weichen bis mittelharten Materialien eingesetzt. Der typische Feinheitsbereich für die mittlere Korngröße liegt zwischen 20 und 500 µm. Mit diesem Mühlentyp werden Umfangsgeschwindigkeiten zwischen 25 und 150 m/s erreicht. In der Ausführung für gegenläufigen Betrieb (Stiftscheiben) sogar bis 250 m/s. Der vom Rotortyp abhängige Luftstrom sorgt für eine temperaturstabile Mahlung. Der Rotor ist auf einer horizontalen Antriebswelle montiert. Die Abdichtung der Welle erfolgt über berührungslose Labyrinthe.
Mechanische Prallmühlen können mit verschiedenen Mahlwerkzeugen ausgestattet werden. Dadurch können sie bei der Herstellung von Pflanzenschutzmitteln entweder für eine Vorvermahlung oder zur Herstellung von marktüblichen Endfeinheiten eingesetzt werden.
Die Ausführung der Condux®-Mühle mit Gebläserotor in Kombination mit einem Stator (Sieb oder Mahlbahn) wird häufig für die Vorvermahlung eingesetzt. Der Rotor erzeugt einen hohen Luftstrom, was bei hohem Durchsatz zu geringster Temperaturerhöhung führt. Die Wirkung der wärmeempfindlichen aktiven Substanzen bleibt somit erhalten. Übliche Feinheiten, die mit dieser Kombination erreicht werden, liegen bei < 100 µm.
Mit Mahlscheibe und integriertem dynamischen Windsichter erzeugen Condux®-Mühlen die für Pflanzenschutzmittel geforderte Standardfeinheit von < 30 µm. Dabei bleibt der Aufbau der Maschine mit nur einem Antrieb für Mahlscheibe und Sichtrad einfach. Die Trenngrenze wird durch eine variable Höhe des Sichtrades definiert, und die leichte Zugänglichkeit zum Mahlraum ermöglicht eine schnelle Reinigung bei Produktwechseln.
Sichtermühle CSM – Feinprallmühle mit integriertem Sichter zur Oberkornbegrenzung
Die Sichtermühle CSM ist eine Kombination aus Feinprallmühle und dynamischem Windsichter und vereint die Schritte Mahlen und Sichten in einem System. Mit zwei unabhängigen Antrieben, einem für die Mahlscheibe und einem weiteren für das Sichtrad, ist die CSM genau einstellbar und erreicht einen erweiterten Feinheitsbereich des Endproduktes von d97 = 9 µm bis 200 µm (siehe Tabelle 1). Die Geometrie des Sichtrades sowie der Spaltspülung zwischen rotierendem Sichtrad und stationärem Mühlendeckel ergeben eine hochpräzise Oberkornbegrenzung des Mahlguts.
Tabelle 1: Anwendungsbeispiele mit der Sichtermühle CSM
| Produkt | Maschine | Feinheit [µm] | Durchsatz [kg/h] |
| Fungizide und Pestizide | CSM 360 | d99 = 45 | ca. 400 |
| Schwefel | CSM 165 | d99.9 = 63 | ca. 200 |
Strahlvermahlung für höchste Feinheiten - Fließbettgegenstrahlmühle CGS
Die Fließbettgegenstrahlmühle CGS wird zur Feinstvermahlung von weichen bis extrem harten Materialien eingesetzt. Dabei erfolgt die Mahlung werkzeuglos innerhalb eines Produktfließbettes, welches durch Gasstrahlen fluidisiert wird, und ein integrierter, dynamischer Windsichter begrenzt die maximale Korngröße. Die Feinvermahlung der Partikel wird durch hohe Geschwindigkeiten (500 bis 600 m/s) der Luftstrahlen am Austritt der Düsen innerhalb der Mahlkammer erreicht. Die hohe verfügbare Energie und die Geschwindigkeit des Aufpralls zwischen den Partikeln im Fließbett ermöglichen es, Feinheiten von 2 bis 5 µm (d50) zu erreichen (siehe Tabelle 2).
Tabelle 2: Anwendungsbeispiele mit der Fließbettgegenstrahlmühle CGS:
| Produkt | Maschine | Feinheit d50 [µm] | Feinheit d99 [µm] | Durchsatz [kg/h] |
| Pestizide | CGS 71 | 5.5 | 23 | ca. 620 |
| Herbizide | CGS 50 | 2.7 | 18 | ca. 248 |
| Fungizide | CGS 16 | 2.2 | 18 | ca. 6.5 |
Ein sehr interessanter und wichtiger Aspekt bei Zerkleinerungsprozessen im Pflanzenschutz ist die Temperatur. Aktive Substanzen sind in der Regel temperaturempfindlich, werden bei hohen Temperaturen zerstört und verlieren so ihre Wirkung. Dies muss im Produktionsprozess vermieden werden. Bei Zerkleinerungsvorgängen, dem Aufeinanderprallen und Zerbrechen von Partikeln, entsteht üblicherweise Wärme. In Strahlmühlen führt die Energie, die das Produkt bei Kollision und Brechen der Partikel erhält, aber nicht zu einer Temperaturerhöhung, denn die Ausdehnung der Luft führt physikalisch zu einer Verringerung ihrer Temperatur. So gleichen sich beide Phänomene aus und die Produkttemperatur bleibt relativ konstant. Auf diese Weise werden die aktiven Moleküle thermisch nicht beschädigt/beansprucht.
Die Klassierung findet im oberen Teil der CGS-Mühle statt. Das optimierte Design des ConVor-Sichtrades ermöglicht einen trennscharfen Schnitt auch im feinsten Bereich von wenigen Mikrometern. Die frequenzgeregelte Einstellung der Sichtraddrehzahl verleiht der Mühle vom Typ CGS eine große Bandbreite an möglichen Feinheiten (siehe Abbildung 5).
Unabhängig von der gewählten Mahltechnologie muss auch eine geeignete Ausführung der kompletten Mahlanlage berücksichtigt werden. Hierbei sind zwei wichtige Aspekte bei der Vermahlung von Pflanzenschutzmitteln zu beachten: Der Sicherheitsaspekt aufgrund der vom Produkt ausgehenden Staubexplosionsgefahr sowie die Reinigung der Anlage, um Kontaminationen bei Produktwechseln auszuschließen.
Staubexplosionsschutz der Mahlanlage
In den meisten Fällen enthalten Pestizide organische Komponenten, die ein Staubexplosionsrisiko darstellen. Durch eine Charakterisierung der vollständigen Formulierung werden die staubexplosionsrelevanten Werte ermittelt. Diese sind insbesondere die Mindestzündenergie, die Zündtemperatur sowie der KSt-Wert. In Abhängigkeit dieser Daten wird die Mahlanlage mit einem angemessenen Explosionsschutz ausgestattet. Eine druckstoßfeste Ausführung der Anlage einschließlich spezifischer Elemente wie Explosionsventile hat den Vorteil, dass sie die Produktionskosten begrenzt und den Betrieb einfach hält. Eine zweite Lösung ist die Vermahlung unter inerten Bedingungen mittels Stickstoff bei Kontrolle des Restsauerstoffgehalts in der Anlage. Ein Mahlanlage mit Explosionsunterdrückung über Löschmittel ist die dritte Möglichkeit.
Reinigungsfreundliche Konstruktion der Maschinen und der gesamten Anlage
Sehr oft wird eine Anlage für mehrere Produkte mit völlig unterschiedlichen Rezepturen und möglicherweise gegensätzlichen Wirkstoffen verwendet. In solchen Fällen müssen die Anwender zwischen zwei Kampagnen besondere Sorgfalt bei der Reinigung der Maschinen walten lassen, um Kreuzkontaminationen zu vermeiden.
Als Maschinenhersteller hat NETZSCH intensiv am Design seiner Mahlanlagen gearbeitet. Die benutzerfreundliche Zugänglichkeit wird durch einfach zu öffnende Maschinenkonstruktionen erreicht. Eine einfache Nassreinigung wird durch zusätzlich polierte Oberflächen der produktberührten Edelstahlkonstruktionen erleichtert.
Zusammenfassung
Die Produktion von Pflanzenschutzmitteln gewinnt gegenwärtig an Bedeutung. Sie muss neu evaluiert werden, um mehr Gewicht auf Umweltrestriktionen zu legen, sowohl bei der Produktion im chemischen Prozess als auch in der Landwirtschaft bei der Ausbringung auf Pflanzen. Die Herausforderung, die Weltbevölkerung zu ernähren, bleibt ebenso ein Thema. Die Rolle der chemischen Industrie besteht darin, Pflanzenschutzmittel auf die beste Art und Weise zu produzieren. Und dazu trägt auch die richtige Auswahl der am besten geeigneten Mühlentechnologie bei.
Die mechanischen Prallmühlen Condux® sind für relativ grobe Vermahlungen und für die Vorvermahlung gut geeignet. Ausgestattet mit einem Sichter ist diese Maschine noch einfach aufgebaut und erfüllt die Standardspezifikation des Endproduktes. Für eine optimale Partikelgrößenverteilung ohne Oberkorn wird die Sichtermühle Typ CSM empfohlen. Für die Herstellung hochwertiger Pflanzenschutzmittel bringt die Fließbettgegenstrahlmühle Typ CGS entscheidende Vorteile, nämlich höhere Feinheiten, ein überkornfreies Endprodukt und besten Erhalt der Wirksamkeit der aktiven Substanzen. Unabhängig von der gewählten Technologie muss die Auslegung der Anlage die spezifischen Einschränkungen/Anforderungen der Anwendung erfüllen, die hauptsächlich in der Staubexplosionsgefahr und der Kontamination bestehen.