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Leistungsverbesserung des CIP (Cleaning in Place)-Prozesses in Sprühtrocknungstürmen basierend auf der Detektion von Foulingbildung mittels Ultraschall
Projekt
Förderkennzeichen: AiF 18754 N
Laufzeit: 01.01.2015
- 31.12.2017
Fördersumme: 425.760 Euro
Forschungszweck: Angewandte Forschung
Sprühtrocknungsprozesse spielen als schonende Trocknungstechniken in vielen Industrien für die Herstellung von hochwertigen, pulverförmigen Produkten eine entscheidende Rolle. In der Milchin-dustrie wird voreingedickte Milch (45 - 55 % TS) in Sprühtrocknungstürme eingedüst und mit Heißluft (150 - 240°C) im Gegen- oder Gleichstromverfahren getrocknet. Die Milch selbst wird während der Trocknung auf etwa 75 °C erwärmt. Durch die thermische Belastung bilden sich Produktablagerungen (Fouling) an den Gerätewänden aus. Die Ursachen liegen in der natürlichen Milchzusammensetzung sowie in den der Sprühtrocknung vorgelagerten Prozessen (Vorwärmen, Homogenisierung etc.). Zusätzlich haben auch die Prozessparameter der Sprühtrocknung Einfluss auf die Fouling- Ausbildung. Mit zunehmender Prozessdauer können Teile der Ablagerungen von der Wandung abplatzen und ins Produkt verschleppt werden. Dies führt zu einer sensorischen und qualitativen Minderung der Produktqualität. Hinsichtlich der Prozesssicherheit kann ein Abplatzen der Fouling-Schicht auch zu Bränden und Explosionen in den Sprühtrocknungstürmen führen. Eine ausreichende Vermeidung von Fouling ist bislang nicht möglich. Deshalb müssen nach Prozessende die Fouling-Ablagerungen über Cleaning-in-Place-(CIP)-Reinigungsprogramme entfernt werden. Üblicherweise ist die CIP-Reinigung so ausgelegt, dass der Reinigungserfolg auch bei starker, schwer zu entfernender Verschmutzung gewährleistet ist. Die CIP-Reinigungsprogramme sind deshalb für die meisten Anwendungsfälle deutlich überdimensioniert. Eine Überprüfung des Reinigungserfolgs und insbesondere die erfolgreiche Entfernung der Fouling-Ablagerungen kann bisher allein durch das Öffnen der Anlagen nach Ablauf des Reinigungsprogramms und anschließender visueller Kontrolle überprüft werden. Ziel des Forschungsvorhabens ist es, die CIPProzesse bei der Sprühtrocknung von Milch zu verbessern und kosten- und ressourceneffizienter zu gestalten. Die CIP-Zyklen sollen an den tatsächlichen Verschmutzungszustand des Sprühtrocknungsturms angepasst werden, indem der Verschmutzungszustand mit einer nicht-destruktiven, nicht-invasiven und kostengünstigen Ultraschalltechnik zur Detektion von Fouling ermittelt wird. Statistischen Studien zufolge betragen die Mehrkosten aufgrund von Foulingbildung in Deutschland zwischen 5 - 7 Mrd. € pro Jahr; bis zu 80 % der Produktionskosten stehen direkt oder indirekt mit Fouling in Verbindung. Gerade bei der Herstellung von Trockenmilcherzeugnissen ist durch die komplexe Zusammensetzung des Produkts erhitzungsbedingtes Fouling unvermeidbar. Die deutschen Milchunternehmen bilden eine der leistungsstärksten Branchen innerhalb der Lebensmittelindustrie: 166 Unternehmen mit über 30.000 Beschäftigten verarbeiteten im Jahr 2013 etwa 30 Mio. Tonnen Milch und erwirtschafteten einen Umsatz von 25,6 Mrd. €. Die Produktion von Trockenmilcherzeugnissen ist in Deutschland 2013 auf 530.383 Tonnen bei einem Umsatz von ca. 1,8 Mrd. € gestiegen. Um am Markt zu bestehen, sind gerade kleine und mittelständische Unter-nehmen (KMU) darauf angewiesen, kleine Chargen zu produzieren. Dabei bildet sich zwar häufig eine geringere Foulingschicht aus als bei industriellen Anlagen, dennoch ist eine gründliche Reini-gung notwendig, um keine Rückstände der Foulingschicht bzw. Produktreste in die nächste Charge zu verschleppen. Die derzeitigen CIP-Reinigungen sind meist überproportioniert, um den Reinigungserfolg sicherzustellen. Da bis zu 80 % der Produktionskosten der Reinigung zugeschrieben werden können, besteht hier ein enormes Einsparungspotential. Da das Verfahren der Sprühtrockung zur Trocknung einer Vielzahl von Lösungen, Suspensionen oder pastösen Massen eingesetzt wird, werden die erzielten Ergebnisse auf die Gegebenheiten von artverwandten Prozessen in anderen Industriezweigen angepasst werden können, wie z. B. auf Sprühtrocknungsprozesse in der keramischen Industrie oder in der pharmazeutischen Industrie. Die Ergebnisse geben auch Unternehmen des Maschinen- und Anlagenbaus Impulse für die Entwicklung neuer innovativer Geräte, Messtechniken und von Systemen zur Prozesssteuerung.
Abschnittsübersicht
Fachgebiete
- Verfahrenstechnik Lebensmittel
