Alle Verbräuche im Blick

Wasser, Kohlendioxid, Dampf, Kraftstoffe, Druckluft oder Elektrizität – Lebensmittelhersteller sehen sich zunehmend mit der Forderung konfrontiert, ihren ökologischen Fußabdruck zu verringern. Mit den auf der Anuga FoodTec gezeigten Produkten und Services erhalten Lebensmittelproduzenten einen Echtzeitüberblick über alle Energieaspekte, können Bereiche mit Optimierungsbedarf identifizieren sowie die Effizienz und Rentabilität ihres Betriebs verbessern.

Einer der führenden Anbieter auf dem Kölner Messegelände in diesem Bereich ist GEA. Von besonderem Interesse für den Maschinenbauer sind etwa digitale Lösungen, die den Ressourcenverbrauch bei Reinigungsprozessen deutlich mindern. Exemplarisch hierfür steht das jüngst optimierte Cleaning-In-Place-Verfahren (CIP) in Anlagen zur Membranfiltration, die hauptsächlich in der Milch- und New-Food-Industrie zum Einsatz kommen, um zum Beispiel Milchprotein- oder Fischkollagenisolate herzustellen. Das Verfahren trennt oder konzentriert Stoffe ohne thermischen Stress. Bisher war die Reinigung der Anlagen energie- und wasserintensiv: Verschiedene chemische Reinigungsmittel werden in die Anlage dosiert, eine bestimmte Zeit im Kreislauf gepumpt und anschließend mit Wasser ausgespült. Um weniger Wasser zu verwenden, kommen nun Sensoren zum Einsatz, die ständig die Permeatqualität des Wassers beim Spülen messen. Statt vorab Spülintervalle und Wasservermengen pauschal festzulegen, stoppt die Software Smart Filtration Flush den Prozess wesentlich früher, sobald der Hygienegrad erreicht ist und die Reinigungsmittel ausgeleitet sind. Je nach Anlagenart, -größe und Wassereigenschaften reduziert sich der Frischwasserbedarf dadurch um bis zu 50 Prozent.

„Eine typische Molkeproteinkonzentration besteht aus zwei bis vier aneinander geschalteten Filtrationsanlagen, die nicht selten mehr als 100 Liter Wasser pro Reinigungsdurchlauf benötigen“, sagt Nils Mørk, Innovationsingenieur für Membranfiltrationen bei GEA. „Unsere Tests zeigen, dass wir in solch großen Anlagen bis zu 50.000 Liter Wasser pro Reinigung sparen können, in kleinen Produktionen 500 bis 700 Liter pro CIP.“ Zudem gilt: Wer weniger Wasser in den Prozess leitet, muss auch weniger Abwasser entsorgen. „Viele Hersteller können ihre Filtrationsanlagen nur sukzessive reinigen, weil die Spülung von Filtrationsanlagen oft die Leitungskapazität übersteigen. Das birgt ein potenzielles Sicherheitsrisiko für das Personal und kann den Produktionsbereich kontaminieren. Mit Smart Filtration Flush können wir den Wasserdurchfluss bei Spitzenlast eliminieren, weil wir die Druckschwankungen in der Wasserversorgung und das Überlaufen der Abflussleitungen deutlich reduzieren“, so Mørk.

CIP-Lösungen sind für Produzenten ein wesentlicher Baustein, um Anlagen zu reinigen und Mikroorganismen zu kontrollieren und so zuverlässige Prozessergebnisse bei minimalen Ausfallzeiten zu gewährleisten. Wie vielerorts gilt auch für Membrananlagen, dass sich durch große Scherkräfte, also mechanisches Waschen mit starkem Spülstrom, die beste Reinigung erzielen lässt. Dafür ist während der CIP-Schritte der maximal zulässige Druckabfall über die Membranen nötig – mit entsprechend höherem Energieverbrauch. GEA bricht mit dieser Praxis und sorgt durch den Einsatz von Software für einen pulsierenden Betrieb der Pumpen von Filtrationsanlagen während des CIP-Prozesses. „Was wir von Waschmaschinen kennen – Kleidung in der Trommel drehen, in Intervallen anhalten, das Reinigungsmittel wirken lassen – übertragen wir auf Membrananlagen“, erklärt Mørk. Im direkten Vergleich mit Anlagen im Standardpumpenbetrieb unter Volllast können kleine Produktionsanlagen auf diese Weise fünf bis sieben Kilowattstunden pro Reinigung einsparen, so der Filtrationsexperte. Große Filtrationsanlagen benötigten dank dieser Innovation 60 bis 100 Kilowattstunden pro CIP-Prozess weniger elektrische Energie.

Software in Kombination mit moderner Sensortechnik ist ein wichtiger Trend und zählt zu den wesentlichen Lösungen der Entwickler. Die ständige Überwachung durch Sensoren macht den Reinigungsprozess effizienter und nachhaltiger. Das Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik IPM zeigt dies mit dem Sensor F-Fiber. F-Fiber besteht aus einer optischen Faser mit einem Millimeter Durchmesser, die in eine Edelstahlhülse eingebettet ist. Das Faserende wird direkt in die Behälterwand eines Lebensmitteltanks oder lebensmittelführenden Rohrs integriert. Alternativ kann es mithilfe eines Flansches an einen vorhandenen Stutzen angebracht werden. Alle weiteren Hardwarekomponenten des Messsystems befinden sich außerhalb der Anlage und sind über die Faser mit der Produktionsanlage verbunden. An der Innenwand des Tanks oder Rohrs wird die Faserspitze vom Tank- beziehungsweise Rohrinhalt umspült. Mit der Zeit lagern sich Moleküle auf Sensorspitze und Behälterwand an. So bildet sich eine unerwünschte Ablagerung. Bei der Messung wird die Fluoreszenz des abgelagerten organischen Materials über die Sensorfaser mit UV-Licht angeregt. Die Fluoreszenzemission wird über dieselbe Faser zu einem hochempfindlichen Detektor rückgeführt und ausgewertet. Aus der Stärke des Fluoreszenzsignals lassen sich Rückschlüsse auf den Grad des sogenannten Foulings, also der Ablagerungen ziehen. Auf Basis dieser Messwerte kann der Reinigungsprozess ausgelöst und in Echtzeit angepasst werden – und das bei verschiedenen Produktionsprozessen für unterschiedliche Lebensmittel

Fakt ist: Lebensmittelhersteller wollen Energie, Wasser, Zeit und Reinigungsmittel sparen, ohne Abstriche bei der Produktsicherheit zu riskieren. Doch die optimale Leistung eines CIP-Systems sicherzustellen, stellt viele vor eine Herausforderung. Nicht nur müssen die Reinigungsmittelkonzentration im jeweiligen Reinigungsschritt und im Aufbereitungstank bekannt sein. Genauso wichtig ist es, eine turbulente Strömung sicherzustellen. Denn erst dann wird der gewünschte Reinigungseffekt erzielt. Hier setzen Messtechnikanbieter wie Endress+Hauser mit immer neuen Inline-Geräten für Durchfluss, Füllstand, Druck und Temperatur sowie für analytische Messungen an. Direkt in die Anwendung integriert, erfassen sie Daten zu Energie-, Chemikalien- und Wasserverbrauch, detektieren Anfang und Ende jedes Reinigungsschrittes und ermöglichen so eine präzise Überwachung und Steuerung in Echtzeit. Auf diese Weise tragen die Sensoren dazu bei, Reinigungszeit, Produktverluste und Ressourcen zu reduzieren und gleichzeitig eine vollständige Rückverfolgbarkeit sicherzustellen. Ob in Tanks oder Rohrleitungen noch Ablagerungen anhaften und wie stark diese sind, misst etwa Liquitrend QMW43. Das Multiparametergerät kann gleichzeitig die Belagsstärke als auch die Leitfähigkeit der Medien erfassen. Durch die direkte Verbindung des Gerätes zum Leitsystem, stehen die Messdaten in Echtzeit zur Verfügung und werden automatisch dokumentiert. Zeigt der Sensor keine Restbeläge mehr an, kann auf eine erfolgreiche Reinigung der kritischen Stellen geschlossen werden.