Die Cocktail-Maschine

  • Abb. 1: Schema der verschiedenen gekoppelten Prozesse: Rückflusskühlung, Flotation, Vertropfung, Durchflussreaktor und BefüllungAbb. 1: Schema der verschiedenen gekoppelten Prozesse: Rückflusskühlung, Flotation, Vertropfung, Durchflussreaktor und Befüllung
  • Abb. 1: Schema der verschiedenen gekoppelten Prozesse: Rückflusskühlung, Flotation, Vertropfung, Durchflussreaktor und Befüllung
  • Abb. 2: Die Hamburger Cocktail-Maschine

Man findet sie fast überall. Sie umgeben uns an den verschiedensten Orten wie Tankstellen, Rasthöfen oder in Universitäten und sie fristen ein stilles Dasein: Getränkeautomaten. Bei Einwurf einer Münze beginnen sie zu summen und zu brummen. Sekunden später werfen sie das erhoffte Erfrischungsgetränk aus, ohne dass der Käufer etwas vom Prozess wahrnimmt.

Von der Prozesstechnik zum Cocktail
Wir starten ganz oben, am höchsten Teil der Maschine (Abb. 1). Dort befinden sich die Blasen. In den insgesamt drei Blasen werden drei verschiedene Saftsorten vorgelagert und durchwandern bis zum Erreichen des eigentlichen Cocktail-Reaktors unterschiedliche Stationen. Ein Saft z. B. durchläuft einen Rückflusskühler und wird dabei rasch von Raumtemperatur auf wenige Grad-Celsius gekühlt. Solche Rückflusskühler finden im chemischen Labor Anwendung bei komplexen Syntheseverfahren und sollen verhindern, dass das eingesetzte Lösungsmittel verdampft und aus der Apparatur entweicht.

Ein anderer Saft wird durch das Verfahren der Flotation behandelt, bevor es den Reaktor erreicht. Flotation wird u. a. im Altpapier-Recycling angewendet um Druckerfarbe zu entfernen und den Weißegrad des Altpapiers zu erhöhen.

Der vierte Saft, der das Endergebnis „Cocktail" komplettiert, findet seinen Weg durch eine Vertropfung, ein chemisch-technischer Prozess, der u. a. bei der Trocknung von Zuckern oder der Granulatherstellung eingesetzt wird.

Jeweils zwei Säfte finden über ein sogenanntes Y-Stück zusammen und durchlaufen eine kleine Glasschnecke, wodurch sie intensiv durchmischt werden. Über diese Y-Stücke gelangen die Säfte nun in den eigentlichen Durchflussreaktor. Solche Glasreaktoren um 0,5 - 2 l finden häufig Anwendung in der technischen Chemie und werden verwendet um sogenannte Batch-Versuche durchzuführen.

Im Prinzip handelt es sich bei dem Cocktail-Reaktor um einen kontinuierlichen Rührkessel. Neigt sich der Flüssigkeitsspiegel einem bedrohlich tiefen Niveau, beginnen zwei Schlauchpumpen zu arbeiten, welche die vorher erwähnten Blasen auffüllen. Über eine Glaskapillare innerhalb der Blasen können die Säfte dann ablaufen, durchlaufen die eben erwähnten Stufen und befüllen den Reaktor bis zu einem zuvor eingestellten, maximalen Füllmaß.

Der Reaktor sorgt dabei nicht nur für eine ausreichende Durchmischung des Getränks, sondern kühlt den Cocktail mithilfe seines temperierten Doppelmantels auch auf erfrischende 5 - 8 °C ab.

Volumensteuerung über Software
Am Anfang wurde der „getätigten Knopfdruck" erwähnt. Genau dieser sorgt dafür, dass sich der Reaktor leert, und zwar genau um eine Becherfüllung. Doch wo und wie kommt das kühle Getränk in den Becher? Der Cocktail im Reaktor wird über eine weitere separate Pumpe aus einem am unteren Teil des Reaktors liegenden Stutzen über einen Schlauch in den Becher gefüllt. Als Zusatz sorgt das Programmier-Set „Mindstorm" von Lego mithilfe eines absenkbaren Schirms dafür, dass beim Einfüllen kein Saft über den Becher spritzt.

Wird die alkoholische Variante des Cocktails gewünscht, schließt sich dem Einfüllen des Saftes noch die Zudosierung einer kleinen Menge alkoholischer Spezialität an. Auch hierbei wird die Software verwendet. Die Dosierung erfolgt über eine Spritzenpumpe mit bekanntem Flüssigkeitsvolumen. Neigt sich der Inhalt der Flüssigkeit dem Ende, schaltet ein Drei-Wege-Hahn auf das Vorlagegefäß um. Die korrekte Position des Hahns wird über Drucksensoren von Lego ermittelt. Sind die Spritzen vollständig aufgefüllt, wird der Hahn wieder auf die Dosierposition umgestellt. Durch dieses Prinzip wird ein Leerlaufen der Vorlagespritzen verhindert.

Zum reibungslosen Ablauf der automatischen Cocktail-Maschine gehört jedoch auch die passende Software zur Steuerung der Anlage. Um die höchstmögliche Flexibilität bei der Geräteansteuerung und Automatisation zu gewährleisten, wurde das Softwarepaket LabView eingesetzt. Das Steuerprogramm für die Cocktail-Maschine arbeitet als sogenannte „Steady-State-Machine" (oder auch Zustandsautomat).

Die Flexibilität eines Zustandsautomaten
Ein solcher Zustandsautomat zeichnet sich dadurch aus, dass jeder Zustand, in dem sich die Cocktail-Maschine befinden kann, genau definiert ist. In verschiedenen Zuständen führt die Cocktail-Maschine verschiedene Aktionen durch, so z. B. das Zapfen des Cocktails in den Becher oder das Auffüllen des Reaktors mit Säften. Drückt also der Benutzer eine Taste um z. B. einen alkoholfreien Cocktail zu bestellen, dann werden nacheinander verschiedene Zustände durchlaufen, wobei jeder Zustand eine einzelne Aktion der Cocktail-Maschine aufruft. Während die einzelnen Zustände genau vorgegeben sind, ist der Weg zwischen diesen Zu-ständen vom Programm frei wählbar. Genau darin liegt die Stärke der Zustandsmaschine. Wenn in unserem obigen Beispiel der Benutzer einen alkoholhaltigen Cocktail geordert hätte, so wären bis zur Zugabe des Alkohols alle durchlaufenen Zustände gleich geblieben, dann hätte das Programm einfach einen Zustand „Alkohol dosieren" dazwischen geschoben und anschließend wieder, wie bei einem alkoholfreien Cocktail, weiter gemacht.

Natürlich gibt es auch Zustände bzw. Prozesse der Zustandsmaschine die vom Benutzer nicht unmittelbar wahrgenommen werden. Einer der wichtigsten Prozesse ist dabei die Bilanzierung. Die Cocktail-Maschine arbeitet, einmal befüllt und in Startposition gebracht, völlig autonom. Ein Überlaufen des Reaktors ist ausgeschlossen, da durch Wiegen der Vorlagegefäße und der Becher genau bekannt ist, wieviel Cocktail sich eigentlich im Reaktor befindet. Frei nach dem Prinzip „Was raus geht muss auch wieder rein" füllt die Steuerung den Reaktor, sobald eine bestimmte Cocktailmenge abgezapft worden ist. Auch hier zeigt sich wieder der Vorteil der Zustandsmaschine. Da der Becher meist kleiner ist als der Reaktor, wird das Abzapfen häufiger durchgeführt als die Befüllung des Reaktors. Das Programm entscheidet selbstständig, wann es den Zustand „Reaktor befüllen" einfügt und arbeitet damit sehr flexibel.

Einblicke und Eindrücke von einer anderen Seite der Prozessautomatisation. Im Vergleich zu einem konventionellen Getränkeautomat beginnt auch bei der Cocktail-Maschine alles mit einem Knopfdruck. Doch das gleich folgende Ergebnis ist ein vollkommen anderes. Normalerweise werden im Arbeitskreis um Prof. Hans-Ulrich Moritz am Institut für Technische und Makromolekulare Chemie der Universität Hamburg chemische Reaktionen, sogenannte Polymerisationen, industriell relevante Prozesse und Bestandteile der chemischen Reaktionstechnik erforscht. Die Kombination dieser Prozesstechniken zu einem anschaulichen Exponat für Jung und Alt war der Auslöser für die Entstehung der Cocktail-Maschine.

www.chemie.uni-hamburg.de/tmc/moritz

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