Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Schokoladenspezifisches Simulationsmodell von Spülprozessen geschlossener Systeme

In der Süßwarenindustrie stehen Spülprozesse durch die zunehmende Bedeutung von qualitätsmindernden Kreuzkontaminationen, insbesondere bei der Schokoladenverarbeitung, im Fokus der angestrebten Prozessverbesserungen. Aufgrund der unzureichenden Kenntnis der örtlichen und zeitlichen Abläufe des Ausspülens mit Folgeprodukt kann es zur Verschleppung von Aromen, Farben und anderen Zutatenbestandteilen kommen. Durch die hohe Komplexität der Maschinen und Anlagen sowie der schlechten Möglichkeiten zur Beobachtung und Beurteilung des Spülprozesses lassen sich Verbesserungsprozesse bisher nur mit hohem experimentellem Aufwand durchführen.

Das Projekt hat zum Ziel ein besseres Verständnis über den Spülvorgang auf Basis von Messungen und Simulationen zu schaffen und die Strömungssimulation als Werkzeug zur Auslegung von Spülprozessen in der industriellen Praxis zu etablieren. Das schokoladenspezifische Simulationsmodell wird anhand eigener experimenteller Messungen validiert und ermöglicht dann eine zielgerichtete Optimierung des Spülvorgangs. Zusätzlich werden zwei Ansätze zur Anwendung neuer Spültechnologien z. B. unter Einbringung von Hilfsstoffen oder der gezielten Temperatursteuerung im Spülprozess untersucht. Dabei wird der automatisierte Spülprozess von geschlossenen Systemen zunächst am Beispiel einer einfachen Rohrgeometrie betrachtet. Die perspektivische Anwendung des Simulationsmodells auf komplexere Geometrien wird im Projekt bereits berücksichtigt.

Der Nutzen für KMU zeigt sich in einem besseren Verständnis für Spülprozesse, was die Reproduzierbarkeit als auch die Effizienz der Anlagen verbessert. Dadurch ergibt sich ein hohes Potenzial zur Einsparung an Ressourcen und Kosten für den Spülprozess. Das Simulationswerkzeug ermöglicht zusätzlich die Bestimmung reinigungskritischer Stellen, die Anpassung der Reinigungsparameter und die Erprobung neuer Reinigungstechnologien ohne zeitaufwendige Versuche.

Ergebniszusammenfassung:

Ziel des Projekts war die Entwicklung eines hochauflösenden Simulationsmodells zur Abbildung des Spülprozesses im Bereich der Schokoladenverarbeitung und /-herstellung.

Zu Beginn wurde anhand von mehreren Schokoladenproben die relevanten schokoladenspezifischen Eigenschaften identifiziert und ein Parameterraum aufgestellt. Anschließend erfolgte die Bestimmung der Stoffeigenschaften von drei ausgewählten Schokoladen, welche diesen Raum abdeckten. Parallel dazu wurde zur experimentellen Nachbildung des industriell genutzten Spülprozesses ein komplexer Versuchsstand konzipiert, fertiggestellt und mit Detektionsmöglichkeiten ausgestattet.

Anschließend wurde ein hochauflösendes numerisches Simulationsmodell entwickelt und zunächst verifiziert. Mithilfe von industrienahen Spüluntersuchungen wurde das Simulationsmodell dann abschließend umfassend validiert. Der Validierungsprozess zeigte eine sehr gute Übereinstimmung zwischen dem Modell und dem realen Prozess. Das entwickelte Simulationsmodell kann als Ergebnis des Projekts ab sofort genutzt werden, um daraus die Spülzeiten anlagen- und schokoladenspezifisch abzuleiten.

Für die Anwendung sind neben einer verhältnismäßig hohen Rechenzeit und Wissen zum Anlagenaufbau auch Kenntnisse zu den Stoffeigenschaften der Schokoladenpaarungen notwendig. Für eine schnelle Auslegung wurde im Projekt deshalb ein weiteres Simulationsmodell entwickelt, welches eine Vereinfachung des ersten Modells darstellt und geringe Rechenzeiten benötigt. Dadurch konnten bereits in wenigen Sekunden einfache Rohrleitungen ausreichend simuliert werden.

Beide Simulationsmodelle entsprechen den Projektzielen und ermöglichen somit eine direkte Nutzung zur Simulation und Optimierung der Strömung in Teilen bestehender Anlagen. Aufgrund der Nutzung der freien Software OpenFOAM entfallen somit auch die Lizenzgebühren für Anwender.