Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Identifizierung chemisch-physikalischer Eigenschaften von Verschmutzungen zur strukturbasierten Reinigungsoptimierung in der Lebensmittelindustrie

Regelmäßige und reproduzierbare Reinigungen werden mit automatisierten und fest in der Maschine installierten Nassreinigungssystemen durchgeführt. Aus Mangel an detailliertem Prozesswissen werden eine Überdimensionierung dieser Systeme und deren Betriebsparameter in Kauf genommen. Der Reinigungsprozess wird empirisch auf die Verschmutzung angepasst. Dies führt zur Minderung der Produktivität und einer umweltbelastenden Verschwendung von Wasser, Chemikalien und Energie. Ein Wettbewerbsvorteil für KMU lässt sich durch eine optimale Anpassung des Reinigungsprozesses mit apriorischem Wissen über das Reinigungsverhalten der jeweiligen Verschmutzung erzielen.

Im Fokus des beantragten Forschungsprojekts steht die zielgerichtete Optimierung der Effizienz von Reinigungsprozessen auf Basis von Wissen über Wirkzusammenhänge chemisch-physikalischer Eigenschaften und Reinigungsverhalten lebensmitteltypischer Verschmutzungen. Ziel ist die Identifizierung reinigungsrelevanter chemischer Strukturen von Stärken, mit denen apriorische Aussagen zu effizienten Reinigungsverfahren, Betriebsparametern und Reinigungsflüssigkeit getroffen werden können. Dazu sind die Charakterisierung chemisch-physikalischer Eigenschaften und eine gezielte Variation chemischer Strukturen der Stärken vorgesehen. In Reinigungsuntersuchungen werden die wichtigsten industriellen Reinigungsverfahren für immergierte und nicht-immergierte Systeme im Pilotmaßstab abgebildet. Durch multivariate Statistik werden die Charakterisierungsergebnisse mit dem Reinigungsverhalten verknüpft und signifikante Einflüsse sowie Wechselwirkungen identifiziert und quantifiziert.

Die Projektergebnisse ermöglichen KMUs mit Produktion stärkehaltiger Produkte eine bedarfsgerechte Reinigung unter Berücksichtigung der Auswahl, Auslegung und Parametrierung des Reinigungsverfahrens. Zudem können auf dieser Basis mittelständige Dienstleister entsprechende Auftragsanalytik anbieten sowie innovative Reinigungsflüssigkeiten entwickeln.

Ergebniszusammenfassung:

Das Projekt leistet einen wesentlichen Beitrag zum fundierten Verständnis über Wirkzusammenhänge zwischen den chemisch-physikalischen Eigenschaften spezifischer Verschmutzungen und deren Reinigungsverhalten. Im Fokus standen Verschmutzungen aus Stärke unterschiedlicher botanischer Herkunft sowie modifizierte Stärken unterschiedlicher Vernetzungs- und Acetylierungsgrade. Diese wurden hinsichtlich ihrer chemischen und strukturellen Zusammensetzung sowie Wasserabsorption, Löslichkeit und Quellverhalten analysiert. Darüber hinaus wurden die wirkenden Bindungs- und Verformungskräfte sowie Veränderungen der rheologischen Eigenschaften bei Einwirken der Reinigungsflüssigkeit ermittelt. Bei diesen Laboruntersuchungen wurde, wie auch bei den Reinigungsversuchen, die Reinigungsflüssigkeit in industrietypischen Grenzen bzgl. Temperatur und Laugenkonzentration variiert. Bei den Reinigungsversuchen wurden drei industrierelevante Nassreinigungsverfahren für geschlossene und offene Systeme (Kanal-, Fallfilm- und Strahlreinigung) im Technikumsmaßstab angewandt.

Mittels multivariater statistische Methoden erfolgte eine umfassende und tiefgehende Analyse aller im Labor und Technikum gewonnenen Versuchsdaten. So konnte bspw. gezeigt werden, dass bei Stärkeverschmutzungen Quellungs- und Bindungseigenschaften spezifisch von der jeweiligen Stärkeart abhängen, miteinander korrelieren und letztlich das Reinigungsverhalten determinieren. Die relevanten Parameter lassen sich in Abhängigkeit von der Reinigungsflüssigkeit bestimmen, so dass optimale Reinigungsparameter bzgl. Temperatur und Laugenkonzentration in Laborversuchen ermittelt werden können. Das Projekt bietet erste Ansätze zur Reinigungsoptimierung, die die spezifische Zusammensetzung und Struktur der Verschmutzung berücksichtigt. Es stellt damit einen Startpunkt für weitergehende Untersuchungen dar, um bei der bedarfsgerechten Reinigung perspektivisch wertvolle Ressourcen wie Wasser, Chemie, Energie und Zeit einzusparen.