Sensortechnik für CIP-Prozesse

Viele Prozesse in der Lebensmittelindustrie finden in geschlossenen Systemen statt. Wenn Leitungen oder Tanks geöffnet werden, besteht die Gefahr, dass die Anlagen durch das Eindringen von Mikroorganismen verunreinigt werden. Aus diesem Grund wird das Cleaning-In-Place-Verfahren (CIP) eingesetzt – eine automatisierte Reinigung im geschlossenen Prozess ohne Demontage der Anlage. Damit eine rückstandslose Reinigung von Behältern und Rohren gegeben ist, sorgen feste oder mobile CIP-Anlagen für eine ausreichende Durchspülung der Anlage mit Wasser beziehungsweise einem basischen, säurehaltigen oder desinfizierenden Reinigungsmedium. Erfolgt daraufhin zusätzlich eine Sterilisation mit Dampf, wird von Sterilisation in Place (SIP) gesprochen.

Flexible CIP-Systeme, wie sie auf der Anuga FoodTec 2024 gezeigt wurden, ermöglichen, dass nur die tatsächlich benötigte Menge der Lösung aus dem entsprechenden Tank entnommen wird. Der Sammelbehälter wird vom Kreislauf getrennt und das Objekt gereinigt, indem die Reinigungslösung über den By-Pass zirkuliert. Die im Kreislauf der CIP-Anlage befindlichen Laugen und Säuren sowie die Nachspülwässer werden anschließend wieder in die Vorrats- beziehungsweise Stapeltanks geführt. So können die Medien – nach Zudosierung eines frischen Reinigungsmittels – mehrfach verwendet werden. Die Wiederverwendung ist allerdings nur dann realisierbar, wenn sich alle Medien exakt voneinander trennen lassen. Leitfähigkeitssensoren spielen bei dieser Phasentrennung eine entscheidende Rolle. Sie erkennen die unterschiedlichen Medien, um die Flüssigkeiten zu sammeln – und tragen so zur Ressourcenschonung bei.

Damit die Reinigung die Produktion nicht lahmlegt, braucht es zuverlässige Sensoren und Ventile. Sie führen die einzelnen Medien bedarfsgerecht dem CIP-System zu. Die Technologieanbieter auf der Anuga FoodTec reagieren auf diese Anforderung mit verschiedenen Ventilsystemen und Sensoren, die einen störungsfreien und nachhaltigen Reinigungsablauf gewährleisten. So bietet etwa Baumer hygienische Sensoren, die präzise und schnell Parameter wie Durchfluss, Temperatur, Füllstand und Druck messen. In Köln zeigte der Leitfähigkeitssensor PAC50 seine Stärken: Er arbeitet problemlos bei Temperaturen bis 140 Grad Celsius. „Ein Wert, bei dem sich die Spreu längst vom Weizen getrennt hat“, sagt Baumer Produktmanager Martin Leupold. Erfahrungsgemäß kämen viele Sensoren bereits bei 100 Grad Celsius an ihre Grenzen. Und weil die Sensorspitze komplett aus dem Hochleistungskunststoff Polyetheretherketon (PEEK) besteht, ist sie extrem beständig gegenüber Chemikalien. „Seine Robustheit ermöglicht dem PAC50 den dauerhaften Einsatz in CIP-Anlagen, wo der Sensor Zeit, Energie, Reinigungsmittel und Wasser sparen hilft“, so Leupold.

Das Beispiel zeigt: Das Thema Ressourcenverbrauch spielte eine wichtige Rolle in den Kölner Messehallen. Gerade bei CIP-Prozessen wird häufig mehr Wasser, Energie oder Reinigungsmittel verbraucht als unbedingt notwendig. Viele Produktionschargen, wie sie zum Beispiel in der Milchverarbeitung typischen sind, bedeuten viele Reinigungszyklen, da vor jedem Batch Leitungen und Tanks hygienisch gereinigt werden. Wer also auf die richtige Technologie setzt, kann hier Einsparpotenziale realisieren – beispielsweise beim Reinigungsaufwand. Hier punktet die FLOWave-Technologie von Bürkert Fluid Control Systems, die akustische Oberflächenwellen (Surface Acoustic Waves, SAW) zur Inline-Durchflussmessung der CIP-Flüssigkeiten nutzt. Neben der Messung von Durchfluss und Temperatur kann der Sensor weitere Parameter wie Massendurchfluss und Dichte ermitteln sowie Gasblasen und Partikel erkennen. So lässt sich der Reinigungsprozess optimieren, da der Sensor zwischen Spülmedium und Produkt unterscheiden kann, was Ausschuss und Abwasserbelastung reduziert. Das Messprinzip kommt dabei vollständig ohne lebensmittelberührende Elemente aus. Das bringt gleich mehrere Vorteile, denn keine Elemente im Messrohr bedeuten weder Leckagen noch Materialunverträglichkeiten oder Wartungen. Zudem tritt kein Druckabfall im System auf und die Reinigung gestaltet sich einfach.

Membranventile sind weitere Schlüsselkomponenten in hygienischen Systemen. Sie steuern den Durchfluss der Medien während der CIP-Reinigung. Ventile mit herkömmlichen Schmiede- oder Gussgehäusen verbrauchen allerdings nicht nur bei der Herstellung relativ viel Energie, sondern auch im Betrieb. Gerade bei SIP-Prozessen werden große Mengen Reinstdampfes benötigt, um die massereichen Ventilkörper auf Sterilisationstemperatur zu bringen. Gleichzeitig verkürzt sich die Zeit, in der produziert werden kann, da sich die Gehäuse nur langsam erhitzen und abkühlen. Konstruktive Details können hier helfen, den Ressourcenverbrauch weiter zu verringern.

Mit dem deutlich leichteren Rohrumformgehäuse Tube Valve Body 3G bietet Bürkert Fluid Control Systems eine praxisgerechte Alternative. Die Gewichtsreduktion bei einem Zwei-Zoll-Ventil kann bis zu 75 Prozent betragen. Die Gehäuse, gefertigt nach dem Prinzip der Innenhochdruckumformung, heizen sich schneller auf und kühlen auch schneller wieder ab. Bei einer Temperaturdifferenz von 100 Grad Celsius können sich pro SIP-Zyklus Energieeinsparungen von über 50 Prozent ergeben. Multipliziert man diesen Wert mit der Anzahl der CIP-/SIP-Prozesse pro Jahr, resultieren beachtliche Kosteneinsparungen. Gleichzeitig steigt die Produktivität der Anlage, da sich durch den effizienteren Aufheiz- und Abkühlprozess die Nebenzeiten für die Reinigung verkürzen. Außerdem haben die temperaturempfindlichen Membranen weniger thermischen Stress. Je nach Anwendung kann sich ihre Lebensdauer dadurch mehr als verdoppeln, was die Servicezyklen verlängert und die kohlenwasserstoffintensiven Elastomer-Abfälle reduziert.

Dass die beschriebenen Einspareffekte eintreten, setzt ein hohes Maß an Transparenz darüber voraus, was in den Anlagen tatsächlich passiert. Ob die CIP-Läufe in einem automatisierten System effektiv und effizient sind, ist häufig schwer zu erkennen. Als Folge davon, versuchen die Lebensmittelhersteller, durch längere Reinigungszyklen eine höhere Prozesssicherheit zu erreichen. Die Gefahr dabei: Reinigungsmittel wird verschwendet und die Entsorgungs- und Energiekosten steigen. Nicht zuletzt wird die Reinigungseffizienz auch durch Fließgeschwindigkeit und Scherkraft an den Innenwänden beeinflusst. Da aber Leitungen nicht an jeder Stelle strömungstechnisch optimal ausgelegt sind und die Reichweite einer Sprühkugeln nicht immer ideal ist, gibt es Stellen, die schwieriger zu reinigen sind. Um die Reinigungseffizienz insgesamt zu ermitteln und zu verbessern, ist es notwendig, das Reinigungsverhalten an diesen Stellen zu überwachen.

Zusätzlich zu den konventionellen Messverfahren, wie Leitfähigkeits- und Trübungsmessung im CIP-Rücklauf, misst der Liquitrend QMW43 von Endress+Hauser deshalb auch die Belagsbildung. Die Verschmutzung der Sensoroberfläche wird kontinuierlich vor, während und nach dem Reinigungsprozess überwacht. Die Überprüfung des Reinigungsstatus erfolgt an kritischen Stellen im Prozess und liefert Informationen über die Reinigungseffizienz. Durch die Auswertung lassen sich Rückschlüsse auf die Art des Belags ziehen, insbesondere ob Ablagerungen vom hergestellten Produkt oder vom Reinigungsmittel stammen. Damit unterstützt der Liquitrend QMW43 die Produzenten bei der Ermittlung einer Kontaminationsursache. Zeigt der Sensor keinen Ansatz und keine Leitfähigkeit mehr an, kann auf eine erfolgreiche Reinigung der kritischen Stellen geschlossen werden. Dies ermöglicht eine Optimierung des Reinigungsprozesses entsprechend den tatsächlichen Bedingungen im Tank oder in der Rohrleitung und führt zu Zeit- und Kosteneinsparungen.