Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Einsatz von Oberflächenwellenmessungen zur Adaption der Reinigung von Rohrsystemen in der Backwarenproduktion

Die fortschreitende Automatisierung von Bäckereianlagen erfordert die Bereitstellung von Reinigungskonzepten, welche mit inline-fähigen Methoden überwacht und geregelt werden können. Bei der Förderung einzelner Teiginhaltsstoffe, pumpfähiger Teigvorstufen sowie finaler Teige bilden sich in den Rohrleitungen, insbesondere in Bereichen von Ventilen, Ecken und Bögen, Ablagerungen aus. Mit zunehmender Prozessdauer können diese von der Wandung abgetragen werden und ins Produkt übergehen. Dies kann zu einer sensorischen und qualitativen Minderung der Produktqualität führen sowie durch die Verschleppung kritischer Komponenten die Produktsicherheit nachfolgender Chargen gefährden.

Ziel des Vorhabens ist es, durch Oberflächenwellenmessungen den aktuellen Verschmutzungszustand des zu reinigenden Systems bzw. den Reinigungserfolg inline zu ermitteln und darauf basierend eine optimierte Reinigung hinsichtlich Zeit, Chemie, Mechanik und Temperatur zu entwickeln.

Die Backbranche in Deutschland erzielte im Jahr 2018 einen Gesamtumsatz von 14,6 Mrd. € und ist mit durchschnittlich 25 Mitarbeitern pro Betrieb stark mittelständisch geprägt. Gerade KMU sind einem hohen Preisdruck und starken Konzentrationsprozessen ausgesetzt und versuchen deshalb, ihre internen Abläufe zu optimieren und zu automatisieren. Durch den Einsatz von Oberflächenwellenmessungen zur Adaption der Reinigung von Rohrsystemen in der Backwarenproduktion könnten Einsparungen sowohl im operativen Betrieb (weniger Reinigungsmittel) als auch durch die Reduktion von Reinigungszeiten und -intervallen erreicht werden.

Ergebniszusammenfassung:

In diesem Projekt wurde ein Oberflächenwellen-basiertes Ultraschall-System zur Überwachung und Optimierung der CIP-Reinigung entwickelt. Mittels numerischer Strömungssimulation konnten kritische Zonen der Rohrleitung (die sogenannte „Cleaning-Unit“, welche aus flexibel einsetzbaren Rohrleitungssegmenten besteht) bezüglich der CIP-Reinigung ermittelt werden. Zur Umsetzung der Abreinigungsversuche im Technikumsmaßstab, wurde zudem ein Verfahren entwickelt und etabliert, um reproduzierbar Verschmutzungsmatrices in die Rohrleitungssegmente der „Cleaning-Unit“ auftragen zu können. Die Abreinigung wurde dabei für unterschiedliche Teigmatrices getestet (Weizensauerteig TA 200 und Brühstück TA 350). Über datengetriebene Modelle konnten die Ultraschallparameter mit Referenzmethoden korreliert werden. Dabei wurden drei Modelle entwickelt: Verschmutzungszustand der Anlage vor der Reinigung, Überwachung des Reinigungsverhaltens und Optimierung der Reinigungsparameter (Zeit, Reinigungsmittel, …). Das erste Modell ermittelte den Zustand der Rohrleitungen vor der eigentlichen Reinigung, während das zweite Modell für die Reinigung selbst entwickelt wurde. Aus dem aktuellen Verschmutzungszustand (Modell 1, R² > 0.9) und der Abreinigungskinetik (Modell 2, R² > 0.9), liefert das dritte Modell optimierte CIP-Parameter und die Reinigung konnte so adaptiert werden. Durch den Einsatz von Oberflächenwellenmessungen zur Adaption der Reinigung, können bei der Backwarenproduktion Einsparungen im operativen Betrieb (weniger Reinigungsmittel) und durch die Reduktion von Reinigungszeiten und -intervallen erreicht sowie das Risiko, dass Produkte von minderer Qualität in den Verkauf gelangen, reduziert werden. Von den Ergebnissen können auch Unternehmen des Maschinen- und Anlagenbaus profitieren, da im Rahmen des Vorhabens Ansätze entwickelt wurden, die die Basis für eine schnelle, kostengünstige und inline-fähige Überwachung der Reinigung von Anlagen darstellen.