Austauschmembranen Service ist der Schlüssel zu Membrantrennverfahren

Gewinnmaximierung durch regelmäßigen Service, um die Membranen in einem optimalen Betriebszustand zu halten

Die Membranfiltration ist der Schlüssel zur Wirtschaftlichkeit vieler verfahrenstechnischer Anlagen. Daher ist eine sorgfältige Wartung unerlässlich, um Gewinne zu maximieren und die Membranen in einem optimalen Betriebszustand zu halten. Dies kann anhand des Beispiels einer großen Käserei in den Vereinigten Staaten anschaulich verdeutlicht werden, die zur Rückgewinnung von Molkeproteinen vor einigen Jahren eine Ultrafiltrationsanlage mit Spiralwickelmembranen installiert hat. Der Betrieb verarbeitet über 900.000 kg Molke am Tag und produziert ein 80%iges Molkenproteinkonzentrat (Whey Protein Concentrate, WPC). Jedoch hatte das WPC bei der Inbetriebnahme aufgrund der Leistungsschwäche der Filtrationsanlage nur 75 % bis 77 %. Das qualitativ minderwertige Konzentrat musste zu einem deutlich geringeren Preis anderweitig verkauft werden und kostete die Molkerei etwa 15.000 $ pro Monat an entgangenem Gewinn.

Einführung in Membrantrennverfahren in Molkereien

Service ist der Schlüssel zu Membrantrennverfahren
Service ist der Schlüssel zu Membrantrennverfahren

Jede Molkerei ist anders. Jede Anlage ist einzigartig und produziert maßgeschneiderte Produkte aus komplexen organischen Strömen. Obwohl alle Molkereien Milch verarbeiten, unterscheiden sich die Milchströme abhängig von individuellen Faktoren, wie beispielsweise Rasse der Kühe, unterschiedlichem Futter und unterschiedlichen Umweltbedingungen. Die Molkereien produzieren ein sehr breites Spektrum an Produkten, von denen für viele die Membranfiltration einen Schlüsselprozess darstellt:

  • Güteklassen von Milch, Magermilch und Rahm
  • Käse verschiedener Arten und Geschmacksrichtungen
  • Hochwertige Proteine aus Süßmolke
  • Mehrwertige Milchprodukte, einschließlich Milch mit verlängerter Haltbarkeit (Extended Shelf Life ESL)
  • Funktionelle Lebensmittel und Nahrungsergänzungsprodukte wie Babynahrung und Riegel
  • Nutrazeutika wie Sport- und Leistungsprodukte
  • Medizinische Produkte für Impfstoffe und Wundheilung
  • Healthcare-Produkte wie Shampoos und Zahnpasten
  • Tiernahrung

Die Querstrom-Membranfiltration zum Isolieren und Konzentrieren verschiedener empfindlicher Milchproduktkomponenten ist eine anerkannte Technologie geworden. Sie ist ein kostengünstiges Verfahren zur selektiven Trennung bei niedrigen oder Umgebungstemperaturen ohne Phasenänderung. Zu diesen Technologien gehören die folgenden Verfahren:

  • Die Umkehrosmose ist ein wirtschaftliches Verfahren zur Abtrennung von Wasser, das häufig zum Aufkonzentrieren von Milchprodukten oder Flüssigkeiten vor dem Verdampfungsprozess eingesetzt wird.
  • Die Nanofiltration dient zur sehr spezifischen Abtrennung von niedermolekularen Komponenten und wird zur Gewinnung von hydrolysierten Proteinen, Konzentration von Zucker sowie zur Entsalzung von Milchprodukten angewendet.
  • Die Ultrafiltration ist ein Trennverfahren zur Konzentration und Reinigung von mittel- bis hochmolekularen Stoffen wie Milcheiweiß, Kohlenhydraten und Enzymen.
  • Häufig wird die Diafiltration mit der Ultrafiltration gekoppelt, um eine zusätzliche Produktrückgewinnung zu erzielen. Dabei wird Wasser eingespritzt, um lösliche Stoffe zu entfernen und niedermolekulare Verbindungen auszuwaschen.
  • Mittels Mikrofiltration werden Bakterien und Sporen aus der Milch entfernt, Schwebestoffe abgetrennt, Milchproteine fraktioniert und chemische Reinigungsmittel zurück gewonnen.

Die Filtrationsmembranen werden aus verschiedenen Materialien hergestellt, dabei stellen die polymeren Membranen das am häufigsten verwendete und kostengünstigste Filtrationsmedium für typische Milchanwendungen dar. Polymer-Spiralwickelmembranen sind verfügbar für Anwendungen mit hohen Durchsätzen mit nur wenigen oder keinen Schwebstoffen. Rohrmembranen werden aufgrund ihrer Unempfindlichkeit gegenüber Verstopfungen in der Regel für Zulaufströme mit Schweb- und Faserstoffen eingesetzt. Hohlfaser-Polymermembranen verfügen über eine sehr hohe Packungsdichte und einen freien Strömungsquerschnitt. Sie bieten die Möglichkeit der permeatseitigen Rückspülung und sind besonders für Ströme mit geringer Feststoffbelastung geeignet. Falls Festigkeit und Beständigkeit gegenüber extremen Bedingungen in Bezug auf pH, Temperatur oder Lösungsmitteln nötig ist, sind anorganische Membranen aus Keramik oder Edelstahl die richtige Wahl. Keramikmembranen werden häufig in der Mikrofiltration eingesetzt, um Bakterien und Sporen zu entfernen.

Typische Anwendungen für die Membranfiltration in der Molkereiindustrie sind:

  • Produktion von hochwertigem Molkenproteinkonzentrat (WPC) und Molkenproteinisolat (WPI)
  • Protein-Standardisierung der Milch vor der Käseproduktion zur Erhöhung der Ausbeute
  • Konzentration und Entmineralisierung von Molke zur Energiekostensenkung
  • Reduzierung der BSB-/CSB-Belastung im Eindampferkondensat und den Permeatströmen zur Kostensenkung für die Abwasserbehandlung.
  • Aufbereitung von Salzlake
  • Entfernung von Bakterien und/oder Sporen aus Milch oder Molke
  • Klärung und Wiederverwendung der Laugen und/oder Säuren für das Cleaning in Place (CIP)

Das Reinigungsdilemma

Die Reinigung ist ein sehr wichtiger Teil der Milchverarbeitung, weil Milch leicht verdirbt und Giftstoffe und Bakterien produziert. Aufgrund der Natur des Milchstroms verschmutzen Verarbeitungsanlagen und müssen täglich gereinigt werden. Aus Biomilch können komplexe Aufbauprodukte entstehen, die eine Reinigung schwierig machen. Häufigt behandeln Molkereien den Speisestrom vor, um Verunreinigungen zu minimieren.

Typische CIP-Anlagen erfordern für die ordnungsgemäße Reinigung drei Faktoren: turbulente Strömung, Chemikalien und hohe Temperaturen. Die meisten Polymer-Spiralmembranelemente sind auf eine Temperatur von 50 °C (122 °F) beschränkt. Dazu kommen noch Einschränkungen beim pH-Wert, da das Membranmaterial häufig auf einen Polyesterträger aufgebracht ist. Dieses Trägermaterial wird bei hohen oder niedrigen pH-Werten sehr leicht aufgelöst, daher ist eine konzentrierte chemische Reinigung unerwünscht. Auch können die Membranen wegen ihrer strukturellen Integrität den hohen Geschwindigkeiten und Turbulenzen des Reinigungsprozesses nur begrenzt widerstehen. Somit gibt es für alle drei Faktoren, die für eine ordnungsgemäße Reinigung erforderlich sind, Einschränkungen.

In den letzten zehn Jahren wurden jedoch große Fortschritte gemacht, die Reinigung schonender und einfacher zu gestalten, ohne die Wirkung dabei einzuschränken. Dadurch wurde ein breiterer Einsatz der Membrantrennverfahren möglich und es wurden einige der Reinigungsprobleme beseitigt. Diese neuen Systeme arbeiten mit einer milden, enzymhaltigen Lauge, um Belag bildende Moleküle und Chelatbildner aufzubrechen und die aufgespaltenen Produkte in Lösung zu halten.

Im Allgemeinen sind Membranfiltrationssysteme in der Erstinvestition günstiger, jedoch erhöhen die Reinigungsanforderungen die Betriebskosten. Die Reinigungsverfahren müssen strikt und mit geringen Abweichungen eingehalten werden, weswegen Service entscheidend ist, um sicherzustellen, dass die Molkerei-Mitarbeiter die Anlagen richtig fahren und sie angemessen und entsprechend den Richtlinien reinigen.

Einige Membranarten können mit Chlor gereinigt werden, andere – dazu gehören auch Polymermembranen – dürfen keiner Chlorbehandlung ausgesetzt werden. Moderne Molkereibetriebe haben getrennte Systeme, so dass kein Chlor mit den Polymermembranen in Kontakt kommt und Schäden verursachen kann.

Die Grundlagen guter Wartung

Es gibt einige Schlüsselelemente, die ein umfassendes Leistungspaket eines Membranlieferanten ausmachen: Schulung; Aufsicht und Optimierung; Austauschmembranen; und Verfahrenstests, Entwicklung und Konstruktion.

Schulung

Wenn ein Membranfiltrationsverfahren erstmals in einem Betrieb eingeführt wird, ist es unabdingbar, dass der Lieferant eine umfassende Schulung des Bedienpersonals durchführt, in der auch die Prozessparameter und der Betrieb angesprochen werden. Gleichbleibende betriebliche Abläufe sind unerlässlich, um eine zuverlässige Leistung der Membrantrennsysteme sicherzustellen. Aus diesem Grund wird die Schulung in der Regel während der Installation durchgeführt. Nachdem das System in Betrieb genommen wurde, besuchen die GEA-Techniker den Kunden regelmäßig und über die gesamte Lebensdauer der Anlage, um sicherzustellen, dass das optimale Verfahren noch eingehalten wird und, falls nicht, korrigierend eingegriffen wird. Auf diese Weise kann die optimale Trennleistung aufrechterhalten werden.

Aufsicht und Optimierung

Der ordentliche Betrieb eines Trennverfahrens in der Molkerei wird die Membranlebensdauer verlängern und die Produktqualität verbessern. Die Membranen verschleißen bei ständigem Gebrauch allmählich und die Qualität des Endprodukts wird sich im Laufe der Zeit verschlechtern. Beispielsweise kann das beim Konzentrieren der Milchproteine zurückbehaltene Einweißniveau durchaus bis zu 99,5 % betragen, aber in den folgenden ein bis zwei Wochen um bis zu 1 % abfallen. Der Punkt, an dem die Membran ausgetauscht werden sollte, hängt von der gewünschten Protein-Rückhalterate ab, dem Wert des dadurch verlorenen Produkts, den Abwasseranforderungen und anderen nachgeschalteten Prozessen ab.

GEA arbeitet eng mit seinen Kunden zusammen, um den optimalen Zeitpunkt für den Austausch zu bestimmen. Dazu werden wirtschaftliche Analysen erstellt und der entgangene Gewinn den Kosten für eine Membran gegenübergestellt, so dass die Molkerei ihre Gewinne maximieren kann.

 

Austauschmembranen

Organische Membranen haben eine begrenzte Lebensdauer und müssen regelmäßig ersetzt werden, normalerweise ein bis zwei Mal pro Jahr, je nach Verarbeitungsmengen und -bedingungen. GEA hält Austauschmembranen vor und arbeitet eng mit den Wartungstechnikern der Molkereien zusammen, um die Ausrauschhistorie zu dokumentieren und vorauszuplanen, wann neue Membranen benötigt werden.

Bei einem unvorhersehbaren Ausfall einer Membran – beispielsweise, wenn eine Polymermembran unsachgemäß gereinigt oder extremen Bedingungen ausgesetzt wurde – müssen die Membranen schnellstmöglich ausgetauscht werden, um die Stillstandszeit zu minimieren. Manchmal kann dies ohne große Vorwarnung auftreten. GEA unterhält ein Zentrallager mit Membranen, hat Konsignationsbestände bei den Herstellern und hält Austauschmembranen an strategischen wichtigen Kundenstandorten vor, um schnellstmöglich reagieren zu können.

Verfahrenstests, Entwicklung und Konstruktion

GEA arbeitet mit den Kunden bereits in der Verfahrensentwicklung zusammen, um dabei zu helfen, marktführende Produkte zu entwickeln und diese auf eine möglichst wirtschaftliche und nachhaltige Weise zu produzieren. GEA nutzt Erfahrung und Know-how, um Kunden zu helfen, neue Produkte zu entwickeln und schnell und effektiv zu vermarkten. Mit Versuchen kann beispielsweise der beste Weg ermittelt werden, eine bestimmte Verbindung aus einem Prozessstrom isoliert werden kann. GEA-Versuchsanlagen stehen in der Firmenzentrale in Hudson, Wisconsin, USA, zur Verfügung oder können für Vor-Ort-Versuche gemietet werden.

Wenn ein Kunde ein Verfahren ohne Versuche einsetzen möchte, können die GEA-Ingenieure eine Anlage entwerfen und basierend auf Leistung und Produktqualität ein Angebot ausarbeiten.

Service-Modelle für den optimalen Betrieb

GEA nutzt seine Verfahrenskompetenz, um vorausschauende Wartungsprogramme für seine Kunden zu entwickeln. Aufgrund seiner Unabhängigkeit kann GEA Membranen von dem Anbieter beziehen, dessen Produkte am besten für eine gegebene Anwendung geeignet sind und so die Anforderungen aller Kunden erfüllen. Diese Unabhängigkeit, kombiniert mit GEAs marktführender Technologie, stellt einen leistungsstarken Servicepartner für Milchverarbeiter weltweit dar.

GEA hat ein Membranserviceprogramm mit drei Service-Paketen aufgestellt, um die Anforderungen aller Molkereien oder anderer Betrieben mit Membranfiltration zu erfüllen. Die drei Ebenen dieser Pakete sind: Membran-Austauschplan, Membran-Servicevereinbarung und Membran-Wartungsprogramm.

Membran-Austauschplan

GEA liefert Membranen, die die Prozessleistung zu einem wettbewerbsfähigen Preis zu erhöhen. Die Membranen können bei Bedarf kurzfristig ab Lager geliefert werden. GEA arbeitet mit allen großen und namhaften Membranherstellern zusammen und setzt seine Kaufkraft für die besten Preise und maximale Herstellergarantien ein. Das Programm umfasst Vor-Ort Besuche von GEAs erfahrenen Servicetechnikern, deren Ratschläge und Empfehlungen Kunden häufig bei der Verbesserung der Profitabilität helfen können. Dieser Plan steht jeder Molkerei zur Verfügung, selbst denen, die ursprünglich bei einem anderen Lieferanten gekauft haben.

Membran-Servicevereinbarung

Zusätzlich zu allen Vorteilen, die sich aus dem Membran-Austauschplan ergeben, bietet dieses mittleres Paket von GEA Servicetechniker- und Ingenieur-Unterstützung, um den Kunden bei Audits zu helfen und um Empfehlungen zur Leistungsoptimierung aller Filtrationssysteme des Betriebs zu geben. Der Kunde hat auch Zugriff auf die GEA Entwicklungs- und Verfahrens-Ingenieurgruppe für Ratschläge und Anleitung zu Verfahren.

Membran-Wartungsprogramm

Dies ist unser umfangreichstes Paket, das alle Inhalte des Membran-Austauschplans und den zusätzlichen Vorteil einer Wartungsvereinbarung umfasst, in der Regel für drei Jahre. Im Rahmen des Vertrages stellt GEA einen Servicetechniker ab, der für eine monatliche Gebühr mit dem Kunden zusammenarbeitet. Der Techniker stellt sicher, dass sich alle Membranen und Prozesssysteme in perfektem Zustand befinden und entsprechend arbeiten. Durch ständige Beobachtung kann Servicetechniker alle notwendigen Informationen sammeln, die benötigt werden, um die Austauschzeiten zu optimieren und einen entsprechenden Arbeitsplan aufzustellen. 

Darüber hinaus steht bei diesem Programm ein Techniker auf Abruf bereit, um im Falle eines Falles sofortige Hilfe zu leisten. 

Da GEA in diesem Programm Verantwortung für Problemlösungen übernimmt, liegt es in unserem Interesse, sicherzustellen, dass der Techniker den Betrieb der Anlage sorgfältig überwacht und eine enge Zusammenarbeit mit dem Betreiber pflegt, so dass stets die am besten bewährten Methoden eingesetzt werden. Das Programm umfasst auch eine jährliche Schulung der Bediener.

Die Membran-Wartungsprogramm bieten dem Kunden eine Reihe von wichtigen Vorteilen:

  1. Die Servicegesellschaft übernimmt die Verantwortung für die Membranleistung und alle Membranen werden auf optimalem Niveau gehalten, um maximalen Gewinn zu ermöglichen
  2. Das Risiko eines Membranausfall wird auf die Servicegesellschaft übertragen
  3. Der Kunde hat ein festes Budget und kann die Kapitalkosten für Austauschmembranen in monatliche Betriebskosten umwandeln zur vereinfachten Buchhaltung und Budgetierung
  4. In dem Maß, wie sich die Technologie entwickelt, kann GEA Filtration Änderungen zur Verbesserung des Betriebsablaufes empfehlen
  5. Das Wartungsprogramm wird für jeden einzelnen Kunden massgeschneidert

Es sind GEA's engagierte Servicetechniker, die die Ressourcen zur Verfügung stellen, die einen perfekt auf den Kunden zugeschnittenen Service ermöglichen. Deren primäre Aufgabe ist die Reise von Betrieb zu Betrieb und Einrichtungen mit Membranwartung und anderen Servicevereinbarungen instand zu halten. Diese ausgebildeten Experten gehören zum festen Personalstamm und können jeweils auf 10 bis 15 Jahre Vollzeiterfahrung bei der Wartung von Membranfiltrationssystemen zurückblicken. Sie arbeiten tagtäglich mit Membrantrennanlagen, führen Membranen ein, schulen Bediener, prüfen Verfahrensprotokolle und halten Kontakt mit den Kunden. Sie sind äußerst erfahren und können deswegen die meisten Probleme durch eine einfache Sichtprüfung der Membran diagnostizieren. Servicetechniker verstehen sich auch auf die behördlichen Anforderungen und Berichterstattung und sie sind mit Prozessleitsystemen vertraut. 

Alle GEA Filtration Servicetechniker weisen einen praktischen technischen Hintergrund auf und verfügen über die Fähigkeiten, den gesunden Menschenverstand, die praktischen Fertigkeiten und das technische Verständnis, um Anlagen zu prüfen und Probleme zu diagnostizieren. Jeder Servicetechniker deckt einen bestimmten geografischen Bereich ab und baut enge Beziehungen zu den Kunden in diesem Bereich auf.

Die Servicetechniker werden von einer großen verfahrenstechnischen Abteilung am GEA-Hauptsitz in Hudson, Wisconsin (USA) unterstützt. Bei einem ungewöhnlichen Problem steht die Abteilung Verfahrenstechnik mit Beratung und Unterstützung zur Seite. Die Ingenieure werden detaillierte Fragen stellen, um ein Problem zu lokalisieren, und führen bei Bedarf auch Betriebsbesichtigungen durch. Diese Abteilung kümmert sich auch um Entwicklung, Prozessgestaltung-Design und die Dimensionierung neuer Systeme auf Basis von Versuchsanlagendaten vor. Ingenieure werden, wenn nötig, bewegliche Versuchsanlagen für Tests an Kundenstandorten empfehlen.

Engineering, Konstruktion, Herstellung und Montage von Membranfiltrationsanlagen sind sehr wichtig. Aber der tägliche Betrieb, die Wartung und Instandhaltung eines Systems sind die Schlüssel zum Erhalt der Profitabilität für die Molkereibetreiber.

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