Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Wissensbasierte Prozessführungsstrategie zur stoffadaptiven Vermeidung des Überschäumens beim Abfüllen schaumfähiger, nicht-karbonisierter Getränke

Mit über 560 Betrieben und einem Jahresumsatz von 20,8 Mrd. € stellt die Getränkeindustrie einen der wichtigsten Zweige der deutschen Lebensmittelindustrie dar. Rund 55 % der Betriebe haben 20–50 Beschäftigte und sind KMU.

Die Produktionsstätten haben für gewöhnlich Abfüllkapazitäten von 15.000-20.000 Packungen pro Stunde. Beim kalten oder heißen Abfüllen nicht-karbonisierter Getränke kommt es dabei immer wieder zu einem Überschäumen, mit der Folge, dass Unterfüllungen auftreten und zudem insbesondere bei der kaltaseptischen Abfüllung hygienische Probleme resultieren. Um den genannten Problemen entgegenzuwirken, kann in der Praxis derzeit in der Regel nur mit einer Drosselung der Abfüllleistung reagiert werden.

Ziel des Vorhabens ist es daher, eine Prozessführungsstrategie zu entwickeln und dynamisch entstehende Schaumschichten durch nicht-invasive, akustische oder alternativ thermische Schaumzerstörungsmechanismen während des Abfüllprozesses einzuschränken oder zu beseitigen.

Im Fokus stehen hierbei:

• die stoffliche Charakterisierung einer repräsentativen Auswahl an schaumfähigen Getränken kalter und heißer Abfüllung,

• eine numerische Simulation ausgewählter Abfüllprozesse,

• die Entwicklung akustischer und thermischer Schaumzerstörungssysteme,

• der Aufbau eines Prognosesystems mittels Künstlicher Neuronaler Netze und die

• hardwaremäßige Realisierung und Erprobung eines Prozessführungssystems.

Eine wirksame Schaumkontrolle wird KMU in die Lage versetzen, Reklamationen und Folgekosten zu vermeiden sowie die Produktivität und Effizienz ihrer Füllanlagen zu erhöhen.

Ergebniszusammenfassung:

Es wurde ein kognitives Modell zur Prognose der Schaumbildung in Abhängigkeit der Füllgeschwindigkeit und Stoffeigenschaften der Getränke entwickelt. Das vorwettbewerbliche Werkzeug zur Prognose der Schaumbildung kann direkt in Industrieprozessen eingesetzt und mit Hilfe der anfallenden Daten auf spezifisch kalibriert werden. Abfüller von Getränken können damit die Schaumbildung unter Produktionsbedingungen ermitteln und ihre Anlagen produktspezifisch so einstellen, dass es gerade nicht zum Überschäumen kommt. Durch diese Maßnahmen können Unterfüllungen der Gebinde sowie die Notwendigkeit zur Reinigung von Prozessanlagen gemindert und der Anlagenausstoß erhöht werden.

Es wurden physikalisch wirkende Aktoren zur Schaumzerstörung entwickelt. Dabei konnten thermische Aktoren als nachrangig gegenüber den non-invasiven Ultraschallaktoren klassifiziert werden. Letztere bewiesen eine gute Zerstörungswirkung gegenüber Schaum und eine flexible Anwendbarkeit im industriellen Prozess. In Kombination mit den entwickelten Prognosemethoden können die Aktoren zielgenau auf die vorliegende Anwendung ausgelegt werden. Erkenntnisse zu geeigneten Frequenzen, Leistungen und der optimalen Anbringung der Aktoren wurden erarbeitet und stehen Anwendern zur Verfügung.

Es erfolgte die Entwicklung einer wissensbasierten Prozessführungsstrategie, die über einen Neurocontroller zur Anlagensteuerung eingesetzt werden kann. Dazu wurden das Prognosetool mit den Erkenntnissen zur Wirksamkeit der physikalischen Aktoren und der Prozessbeobachtung mittels echtzeitfähiger digitaler Bildverarbeitung in einen Regelalgorithmus kombiniert, der wiederholgenaue Füllhöhen bei minimaler Abfüllzeit unter Vermeidung eines Überschäumens realisiert. Der Regler wurde einerseits in einer Open-Source Variante als Addon zu bestehenden Steuerungen realisiert und auf die Umsetzbarkeit in einer kommerziellen SPS untersucht. Damit sind die Voraussetzungen für eine flexible Implementierung in der Industrie geschaffen.