Optimierung von CIP-Systemen in der Getränkeindustrie

Energieeffizienz und Reinigungserfolg: CIP-Systeme optimal betreiben

Definition CIP

In Produktionsanlagen sorgen spezielle Einbauten wie Sprühkugeln oder Zielstrahlreiniger in Tanks sowie ausreichend dimensionierte Pumpen für die erforderlichen Strömungskräfte zur Reinigung. Die allgemein dafür verwendete Bezeichnung lautet CIP, das bedeutet cleaning-in-place. Bei der SIP (sterilisation-in-place) wird die Anlage oder der Tank mit Sattdampf bei Tanks z.B. für 30 Minuten sterilisiert und anschließend mit kalter Sterilluft ausgeblasen. Eine SIP setzt immer eine funktionierende CIP voraus.

Stapelreinigung

Die sogenannte Stapelreinigung findet sich in mittleren und großen Betrieben und erlaubt eine Wiederverwendung von Reinigungslösungen, das Auffangen von Zwischenspül- und Nachspülwasser sowie eine weitere Optimierung vor allem zur Zeitersparnis und Kostensenkung.

Das Comprex-Verfahren

Bei dieser Technologie wird zuerst die Rohrleitung entleert. Anschließend werden Luft- und Wasser­impulse in die Rohrleitung geschossen. Gegenüber der herkömmlichen Wasserspülung mit 2 m/s liegen die erzeugten Fließgeschwindigkeiten mit bis zu 20 m/s zehn Mal höher. Die Comprex-Technologie beschleunigt Wasserpfropfen innerhalb von weniger als 0,1 Sekunden. Im Ergebnis lösen sich aufgrund erhöhter Scherkräfte auch ohne zugesetzte Chemikalien Biofilme genauso schnell und gründ­lich wie hartnäckige Produktrückstände.

Vincent Hammann als Geschäftsführer der Comprex Engineering GmbH sieht wegen der erheblichen Wasserersparnis (bis zu 90 Prozent) auch eine Verringerung der Abwassermenge. Damit minimiert sich bei temperierten Reinigungsflüssigkeiten ebenfalls der Energieaufwand. Dies spart Kosten und hat verkürzte Stillstandzeiten zur Folge. „Im Vergleich zu bisherigen Spülmethoden erzielen wir bei fruchtsaftähnlichen Konsistenzen – ob dünnflüssig oder konzentriert –, aber beispielsweise auch bei Trinkjoghurts und Gemüsesäften sehr gute Ergebnisse“, betont Vincent Hammann.

Ruland Engineering hat diese Technologie bereits erfolgreich in die CIP-Reinigung von Zahnpastaanlagen integriert. Geschäftsführer Bernhard Scheller sieht großes Potential auch beim Einsatz in klassischen CIP-Anlagen.

Welche Parameter müssen bei CIP-Reinigung beachtet werden

Vor der Reinigung soll das Produkt restlos ausgeschoben sein (evtl. Molchtechnik einsetzen). Die Reinigungslösungen müssen in der erforderlichen Konzentration und Temperatur verfügbar sein. Chemiekonzentrate zum Nachschärfen der Lösungen stehen ebenfalls in ausreichender Menge zur Verfügung.

Messtechnische Sensoren und Signalleitungen sind auf Funktionstüchtigkeit und Genauigkeit kontrolliert. Ventile und Pumpen sollten einer regelmäßigen Wartung unterzogen werden. Sicherheiten in der Steuerung garantieren, dass die gewünschten Drücke und Volumenströme, Reinigungszeiten, Temperaturen und Konzentrationen auch am Ende der zu reinigenden Anlagenteile erreicht werden.

Volumenstrom und Druck der Reinigungsvorlaufpumpe sollen eine genügende Überschwallung der Tankinnenwand erzielen. Die minimale Strömungsgeschwindigkeit in Rohrleitungen liegt mindestens bei 2 m/s. Der Pumpendruck sollte zwischen 3 und 7 bar liegen. Die Durchflussmessung ist also von grundlegender Bedeutung für ein effizientes CIP-System. Durch die Sicherstellung einer starken und turbulenten Strömung wird die gewünschte Reinigungswirkung erzielt.

Optimierung von CIP-Systemen

Angesichts steigender Kosten ist es stets eine sinnvolle Maßnahme, sich das CIP-System genauer anzusehen und Optimierungsmaßnahmen umzusetzen. Inline-Prozessmessungen unterstützen Lebensmittelhersteller bei der Umstellung von zeitbasierten auf Echtzeit-Überwachungssysteme. Diese Systeme gewährleisten die angestrebte Reinigungseffizienz sowie reduzierte Betriebskosten und geringere Verluste.

Datenbasierte Steuerung von Reinigungszyklen in der Getränkeindustrie

Die Genauigkeit bei der Phasentrennung beim Übergang von Spülwasser- auf Reinigungsmittelschritt und umgekehrt geschieht auf datengestützten Entscheidungen. Man weiß also genau, welches Medium sich in der Produktionslinie befindet. Qualitativ hochwertige optische Sensoren mit schnellen Reaktionszeiten erfassen Anfang und Ende der einzelnen Phasen eines CIP-Zyklus. Dadurch werden Produktverluste reduziert und zugleich das Risiko einer Vermischung der Medien verringert. Dies ermöglicht Einsparungen durch kürzere Reinigungszyklen, geringeren Wasser- und Chemikalienverbrauch verbunden mit einer Minimierung von Produktverlusten. 

Zusätzliche Einbauten erfordern Nachvalidierung

Durch zusätzliche angebrachte Armaturen und Messfühler können Todräume entstehen. Dort sind die Reinigungskräfte möglicherweise unzureichend. Konzentrationsfühler für Reinigungsmittel dürfen keinen Schmutzbelag haben, das erhöht den elektrischen Widerstand. Die gemessene Konzentration liegt nun scheinbar unter der tatsächlichen und führt zu einer Überdosierung von Reinigungsmitteln. Deswegen ist ein Monitoring von Belagsbildung und -entfernung essenziell für die Produktsicherheit und -qualität. Bei Veränderungen der Anlage ist also eine Nachvalidierung erforderlich. Grundsätzlich ist eine regelmäßige Nachvalidierung anzuraten! 

Tankreinigung in der Getränkeindustrie

Bei der Tankreinigung soll ein Gleichgewicht zwischen zugeführter und abgepumpter Flüssigkeitsmenge herrschen. Dies lässt eine Sumpfbildung mit Rückständen am Tankauslauf nicht zu. Erreichbar ist dies mit einer Kreiselpumpe, deren Drehzahl und damit der Volumenstrom stufenlos über einen Frequenzwandler geregelt wird.

Die eingebauten Sprühkugeln sorgen in den Tanks für eine ausreichende Überschwallung. Auf gut gebündelte Reinigungsstrahlführung mit großer Reichweite ohne Vernebelung (keine Bohrgrate an den Löchern der Sprühkugeln) und auf die richtige Platzierung (keine Sprühschatten oder tote Winkel) ist zu achten. Sonst hat dies einen Belagaufbau an einzelnen Stellen durch Sprühschatten zur Folge. Abhilfe ermöglicht eine Drucküberwachung der Reinigungsvorlaufpumpe. Zielstrahlreiniger als rotierende Elemente sind eine Alternative für die Tankreinigung.

Neue Produkte erfordern besondere Kontrolle des CIP-Systems

Getränkehersteller verlassen sich häufig auf ein zeitgesteuertes Reinigungssystem. Die wichtigste praktische Feststellung ist vielleicht, dass bei der voll automatisierten CIP keine optische Kontrolle vorliegt. Es heißt einfach auf dem Bildschirm: Reinigung von Tank A beendet und das wird routinemäßig mit der ordnungsgemäßen CIP gleichgesetzt. Das kann bei neuen Produkten wie z.B. veganen Drinks oder Mischgetränken ein Trugschluss sein. Deswegen sollte zur Kontrolle ein Wärmetauscher oder ein Tank regelmäßig inspiziert werden.

Präzise Temperaturregelung und intelligente Anlagensteuerung von CIP-Systemen
Eine präzise Temperaturmessung und -regelung ermöglicht, dass Reinigungsmittel wie vorgesehen wirken, mikrobiologische Risiken ausgeschlossen und Hygienestandards erfüllt werden. Damit schützt man Anlagen, sorgt für die Aufrechterhaltung der Produktqualität, optimiert den Chemikalieneinsatz und erhöht die Energieeffizienz.

Die unsynchrone Ansteuerung von Ventilen und Pumpen ist durch eine intelligente Anlagensteuerung vermeidbar. Bei Ventilen ist die Frage nach Leckagesicherheit zu stellen. Taktweises Reinigen und Spülen bringt unweigerlich einen Verlust mit sich, der Kosten verursacht. Manchmal führt auch ein zu geringer Druck der Steuerluft – vor allem, wenn viele Ventile auf einmal schalten – zu einem Fehler im Reinigungsprogramm. Auch ein verschobener Initiator führt zu einer Fehlermeldung.

CIP-Anlagen stetig optimieren und rechtzeitig ersetzen

Oft argumentiert die Unternehmensführung „der Austausch/Neubau einer CIP-Anlage rechnet sich nicht“ da dadurch kein Behälter Produkt mehr abgefüllt wird und betrachtet somit rein die Kostenseite. Valentin Jörns, Inhaber von bawaco gmbh, gibt zu bedenken, dass der Totalausfall einer CIP hierbei nicht berücksichtigt wird! Bei einem solchen Totalausfall z.B. durch eine veraltete Steuerung und/oder defekte Tanks findet keine Produktion statt und der Preis für eine systematische Instandhaltung der Anlage und die Funktionssicherheit der Steuerung liegt deutlich unter dem Betrag für den Ausfall einer Produktionsschicht.

Zudem sollte man keine Angst vor der Optimierung oder Umbau der bestehenden CIP-Anlage haben. Ein Retrofit durch einen Steuerungstausch verbunden mit einer Modernisierung der Mess- und Regeltechnik trägt schnell dazu bei, die Lebensdauer wesentlich zu verlängern. Auch der Aspekt der Arbeitssicherheit innerhalb einer CIP-Anlage verdient laut Valentin Jörns wesentlich mehr Aufmerksamkeit.
 
Anpassung nach Produktwechsel und Kontrolle des Reinigungserfolgs
Bei neuen Produkten wie veganen Drinks werden Reinigungszeiten oder Durchsatzmengen erhöht, um das durch Proteindenaturierung induzierte fouling sicher zu entfernen. Mittlerweile ist der Absatz von solchen Drinks rückläufig. Dann gibt es möglicherweise Produkt nicht mehr und trotzdem erfolgt eine Rücksetzung des Volumenstroms auf einen sinnvollen Wert nicht. Getreu dem Motto: Haben wir schon immer so gemacht.

Den Reinigungserfolg kann man visuell kontrollieren, auf Schmutzreste oder mangelnde Benetzbarkeit der Oberfläche. Mikrobiologisch wird durch Abstrich, Spülen mit Nährlösung oder Abklatschprobe die Sterilität getestet. Die ATP-Schnellbestimmung kontrolliert indirekt, ob durch noch vorhandene Mikroorganismen ein erhöhter Wert entsteht und somit eine kurze zusätzliche CIP anzuraten ist.

Insgesamt bleibt die CIP ein Dauerbrenner mit ständigen Anpassungen der benötigten Reinigungsparameter sowie eine fortwährende Modernisierung der Messtechnik und der Automatisierung.

Quellen
T. Birus: Moderne Betriebstechnik in der Lebensmittel- und Pharmaindustrie (confructa medien)
Endress+Hauser.com: CIP in der Lebensmittelindustrie
Comprex.de: das Comprex-Verfahren