Reinigungsprozessen in der Lebensmittelindustrie

Entwicklung eines Demonstrators zur Überwachung

  • Abb. 1: Foto des entwickelten Demonstrators mit vergrößerter Darstellung des Auffangbehälters und der darin integrierten Sensoren.Abb. 1: Foto des entwickelten Demonstrators mit vergrößerter Darstellung des Auffangbehälters und der darin integrierten Sensoren.
  • Abb. 1: Foto des entwickelten Demonstrators mit vergrößerter Darstellung des Auffangbehälters und der darin integrierten Sensoren.
  • Abb. 2: Beispielhaftes Ergebnis der mit dem Demonstrator aufgezeichneten Daten während eines Waschgangs in einer Laborspülmaschine.
Matthias Bäcker1, Daniel Rakowski1, Edgar Krappen2, Michael J. Schöning1
 
Eine Prozesskontrolle bei der industriellen Herstellung von Lebensmitteln ist von fundamentaler Bedeutung, um ein hochwertiges und sicheres Produkt gewährleisten zu können. Durch fehlerhafte Produkte können im Sinne des Produktsicherheitsgesetzes Rückrufaktionen notwendig werden, um Personen- und Sachschäden abzuwenden [1].
 
Dies war beispielsweise im Februar 2016 der Fall, als eine Verbraucherin in einem Schokoladenriegel ein Kunststoffteilchen gefunden hatte [2]. Möglicherweise entstammte das Teilchen einer Gussform, wie sie für die Herstellung derartiger Produkte auf Schokoladenbasis verwendet wird. Diese Formen sind Spritzgussteile aus Polycarbonat und sind während ihres Lebenszyklus mechanischen und chemischen Belastungen ausgesetzt. Wasser hat einen hydrolytischen Effekt auf Polycarbonate und verursacht einen Polymerabbau. Dieser Mechanismus beschleunigt sich bei höheren Temperaturen und extremen pH-Werten und kann zu einer Materialversprödung und Mikrorissbildung führen. Im ungünstigsten Fall kann es zum Ausbrechen von Kunststofffragmenten kommen, die sich in der Schokolade bzw. dem Produkt wiederfinden. Die Hersteller derartiger Gussformen geben daher Richtlinien zur Waschung an. Oftmals ist jedoch unklar, ob der Waschvorgang in den industriellen Spülmaschinen diesen Vorgaben entspricht.
In diesem Beitrag wird ein präventiver Ansatz beschrieben, der auf der Überwachung des Waschvorgangs beruht. Dies soll ein frühzeitiges Erkennen von Materialermüdung und damit rechtzeitiges Aussortieren der Gussform ermöglichen. Die Grundlage dieses Ansatzes ist die Erfassung relevanter Waschparameter innerhalb der Waschmaschine. Hierzu wurde ein Demonstrator entwickelt, der die Waschstraße der Gussformen durchläuft und dort die Temperatur, den pH-Wert sowie den Aufprall des Wasserstrahls misst. Auf diese Art werden die relevanten mechanischen und chemischen Einflüsse auf die Gussformen während eines Waschgangs messtechnisch zugänglich gemacht.
 
Design des Demonstrators
 
Zur Messung des pH-Werts wird eine pH-Glaselektrode verwendet.

Bei der Elektrodenwahl wurde ein besonderer Fokus auf einen hinreichenden Messbereich und Stabilität bezüglich Temperatur und Druck gelegt. Die gewählte pH-Elektrode verfügt zudem über zwei Diaphragmen und ist somit unempfindsamer gegen ein Verstopfen. Die Temperatur wird mit einem handelsüblichen Pt1000 gemessen. Die Intensität des Wasseraufpralls auf die Oberfläche der Gussformen wird mit zwei Kraftsensoren quantisiert. Das Auslesen und Verarbeiten der Sensorsignale erfolgt mit einem Mikrocontroller, der um spezielle Messverstärkerschaltungen zum Betrieb der Sensoren erweitert worden ist. Weitergehend sind im Mikrocontroller die Kalibrierdaten der verwendeten Sensoren abgelegt und es erfolgt eine Temperaturkompensation der pH-Wertmessung. Die Messwerte werden mit einer Rate von 1 Hz erfasst und auf einer SD-Karte gespeichert. 

Die Gussformen durchlaufen in aufrechter Position die Waschstraße. Während eines Durchlaufs wird das Waschwasser durch mehrere Düsenstöcke fächerförmig auf die Gussformen aufgespritzt, so dass neben der chemischen Reinigung auch ein mechanischer Beitrag zur Waschung erfolgt. Abgeschlossen wird ein Waschgang, der etwa sieben Minuten dauert, durch Trocknung mit Heißluft. Diese Randbedingungen stellen spezielle Anforderungen an das Design des Demonstrators. So soll dieser ebenfalls in aufrechter Position in die Waschstraße eingebracht werden können. Die typischen Dimensionen der Waschformen begrenzen die Außenmaße des Demonstrators insbesondere bezüglich der Tiefe auf wenige Zentimeter. Abbildung 1 zeigt ein Foto des entwickelten Demonstrators.
Der Korpus des Demonstrators ist aus Aluminium gefertigt. An einer Stirnseite befinden sich der sogenannte Wasserfänger und der Auffangbehälter. Der Wasserfänger sammelt das durch die Düsen aufgebrachte Waschwasser, so dass hinreichend Flüssigkeit zur Analyse mit den Sensoren zur Verfügung steht. Eine flächig eingebrachte Gummimembran absorbiert die Energie des auftreffenden Wasserstrahls, so dass das Wasser abperlt und nach unten in den Auffangbehälter abläuft. Die Wirksamkeit dieses Wasserfängers konnte experimentell validiert werden. Der Auffangbehälter stellt ein Sammelgefäß dar, in dem das Waschwasser temporär vorgehalten und analysiert wird. Am oberen Ende des vom Auffangbehälter eingeschlossenen Volumens befindet sich ein optischer Levelsensor, der durch eine Kappe vor Spritzwasser geschützt ist. Dieser Sensor prüft, ob die pH-Elektrode und der Temperatursensor, die sich unterhalb vom Levelsensor befinden, in Kontakt mit Waschwasser sind. Eine Durchgangsbohrung im Boden des Auffangbehälters lässt das Waschwasser kontinuierlich ausfließen. Die Wandung des Auffangbehälters schützt die pH-Elektrode davor, den Heißluftdüsen direkt ausgesetzt zu sein. Ein Deckel in der Seitenwand des Demonstrators ermöglicht den Zugang zur SD-Karte und Batterie. Durch Betätigung des Ein-/Ausschalters wird der Demonstrator aktiviert, was durch ein akustisches Signal quittiert wird.
 
Validierung des neuen Demonstrators 
 
unter praxisnahen Einsatzbedingungen
Der Demonstrator wurde unter praxisnahen Einsatzbedingungen erfolgreich in einer handelsüblichen Geschirrspülmaschine, einer Laborspülmaschine sowie einer industriellen Waschanlage aus der Lebensmittelindustrie eingesetzt. Hierbei wurden mit allen Sensoren reproduzierbare Ergebnisse erzielt. Exemplarisch werden nachfolgend Ergebnisse aus der Laborspülmaschine vorgestellt.
Für die Versuche wurde der Demonstrator, wie sonst das Waschgut, im Innenraum der Maschine positioniert und eine übliche Menge Reinigungsmittel in den dafür vorgesehenen Behälter dosiert. Laut Betriebsanleitung der Maschine besteht der Ablauf des gewählten Waschprogramms aus dem Vorspülen, dem eigentlichen Reinigungsprogramm bei 60 °C, das von zwei Zwischenspülschritten sowie dem Spülen und Trocknen gefolgt wird. Die Dauer des Programms beträgt etwa 27 Minuten. Abbildung 2 zeigt die vom Demonstrator aufgezeichneten Daten. Die beschriebenen Phasen des Waschgangs sind auch in den gemessenen Signalen aller Sensoren deutlich wiederzuerkennen. 
Aus dem Signalverlauf der Kraftsensoren wird ersichtlich, dass das Waschwasser im Verlauf des Waschprogramms unterschiedlich intensiv in den Innenraum der Maschine eingebracht wird. Durch Zugabe des Reinigungsmittels steigt der pH-Wert bereits während des Vorspülens in den stark alkalischen Bereich an. Für die Zwischenspülschritte wird vermutlich neues Wasser in den Kreislauf eingebracht, so dass sich der pH-Wert sukzessive wieder dem Ausgangswert des Leitungswassers annähert. Gleichzeitig bewirkt das Einbringen von frischem Wasser eine stufenweise Reduzierung der Temperatur von 60 °C während der Reinigungsphase auf 45 °C bzw. 40 °C während des Zwischenspülens. Das Signal des Levelsensors schließlich bestätigt den Wasserkontakt der Sensoren im Auffangbehälter während der Phasen, in denen eine Durchspülung des Spülmaschineninnenraums erfolgt.
 
Zusammenfassung und Ausblick
 
Mit dem vorgestellten Demonstrator lassen sich mehrere Waschparameter aus der unmittelbaren Umgebung der Gussformen bzw. aus dem Innenraum der Waschmaschine erfassen. Dies kann als Grundlage zum Aufbau eines Erfahrungsschatzes dienen, der eine Vorhersage von Materialversagen erlaubt bzw. einen unbedenklichen Waschvorgang quantitativ belegen kann.
Weitergehende Arbeiten zielen auf eine Kalibrierung der Kraftsensoren, um nicht nur qualitative, sondern auch quantitative Daten erheben zu können. Zudem sind eine Erweiterung der Funktionalität des Demonstrators um eine Leitfähigkeitsmessung (beispielsweise zur Sicherstellung des kompletten Freispülens), eine drahtlose Datenübertragung und ein induktives Laden von Akkumulatoren denkbar. 
 
Danksagung
 
Die Autoren danken Dagmar Wirtz und den Mitarbeitern der 3win Maschinenbau GmbH für die gute Zusammenarbeit und Prof. Dr. Torsten Wagner für die fachliche Diskussion.
 
Zugehörigkeit
1FH Aachen, Campus Jülich, Institut für Nano- und Biotechnologien (INB), Jülich
2Nestec Ltd., Vevey, Schweiz
 
Kontakt
Prof. Dr. Michael J. Schöning

FH Aachen, Campus Jülich
Institut für Nano- und Biotechnologien (INB)
Jülich
schoening@fh-aachen.de
www.fh-aachen.de/inb.html
 

Literatur
[1] http://www.augsburger-allgemeine.de/neu-ulm/Netto-Rueckruf-wegen-Glasscherben-in-Schweineunterschale-id37450312.html, Zuletzt geprüft am 01.12.2016
[2] http://www.spiegel.de/wirtschaft/service/mars-ruft-weltweit-schokoriegel-wegen-kunststoffteilchen-zurueck-a-1078909.html, Zuletzt geprüft am 01.12.2016

 

 

 

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