In diesem Praxisbeispiel erforderte die Entwicklung einer effizienten Reinigungstechnologie für ein Mehlsilo den Einsatz der verschiedenen verfügbaren Reiniger und Reinigungsmethoden, um eine optimale Hygiene sicherzustellen.

Auf der Welt leben derzeit ca. 7 Milliarden Menschen, und für das Jahr 2050 schätzt man, dass diese Zahl auf 9 Milliarden ansteigen wird. Circa 50 % der Menschen, die die Erde 2050 bewohnen werden, leben schon heute. Das verdanken wir den modernen Fertigungstechnologien, die allen Menschen ein besseres und gesünderes Leben ermöglichen. Insbesondere die Fortschritte bei der Lebensmittelherstellungstechnik haben deutlich zur Verbesserung der Qualität, Funktionalität und Sicherheit von Nahrungsmitteln beigetragen. 

Maßgebliche technologische Fortschritte bieten zwar große Chancen, stellen uns jedoch auch vor enorme Herausforderungen. Die effiziente und kostengünstige Erzeugung qualitativ hochwertiger Nahrungsmittel, wie sie von den neuen Verarbeitungstechnologien gefördert werden, ist nötig, um den Bedarf einer wachsenden Weltbevölkerung zu decken. Produktionseffizienzen und Wirtschaftlichkeit können jedoch nicht auf Kosten der strengen Anforderungen an die Sauberkeit und Sicherheit bei der Nahrungsmittelerzeugung und -logistik gehen. Um sicherzustellen, dass alle diese Anforderungen erfüllt werden, ist ein sehr detailliertes und doch auch breites Verarbeitungs-Know-how erforderlich. Die umfassende Prozesskompetenz der heutigen Ingenieure muss daher auf die Bedürfnisse der Lebensmittelverarbeitungsindustrie abgestimmt sein, die erfordern, dass die Produkte mit größtmöglicher Effizienz, Hygiene und Sicherheit erzeugt werden. 

Die Optimierung der Reinigungsverfahren in einer Prozessanlage stellt eine wichtige Methode zum Erreichen dieser Ziele dar. Beispielsweise arbeiteten GEA Ingenieure eng mit einem namhaften Hersteller von Backwaren zusammen, um effiziente Lösungen für die Herausforderung zu finden, die die Reinigung der Mehlsilos des Betriebes darstellt.

Mehlsilos: Eine Herausforderung in puncto Reinigung

Mehlsilo
Zu reinigende Komponente: Aluminium-Mehlsilo mit 3,5 m Durchmesser und 33 m Höhe

Die Produkte des Backwarenherstellers erfüllen höchste Qualitätsstandards sowie umfangreiche ökologische und ökonomische Anforderungen. Die Hygienevorschriften für die Prozessanlage fordern für alle Systeme und Maschinenkomponenten, die für diese Produktionsart eingesetzt werden, eine rückstandslose Reinigung. Für diese zyklisch wiederholten Herstellungsprozesse suchte das Qualitätssicherungsteam des Kunden nach einem modernen Reinigungssystem zur perfekten Innenreinigung der Mehlspeichersilos. 

Die zylindrischen Mehlsilos mit einem Durchmesser von ca. 3,5 m und einer Höhe von 33 m, die den Ingenieuren zur Untersuchung und Beratung zugänglich gemacht wurden, weisen keinerlei Innenstrukturen auf. Die Silowände bestehen aus unisoliertem Aluminium und verfügen jeweils über einen konischen Auslass und ein flaches Silodach mit einer exzentrischen Einstiegsöffnung. Die Lagertürme befinden sich neben dem Fertigungsgebäude und sind in einer Silofarm angeordnet.

Das Mehl wird durch Schwerkraft auf eine Förderschnecke entladen und zum Weitertransport wird Druckluft verwendet. Die Produktion läuft 24 Stunden pro Tag das ganze Jahr über und somit wird jedes Silo in regelmäßigen Abständen vollständig mit Mehl befüllt und – je nach Verfahrensanforderungen – kontinuierlich oder intermittierend entleert. Als Folge wird die Tankinnenseite gelegentlich durch Produktrückstände verunreinigt.

Diese Verunreinigungen sammeln sich an unterschiedlichen Punkten und in verschiedenen Ebenen an; insbesondere bilden sich auf allen Höhen der Silowand Mehlklumpen, die unkontrolliert abfallen, sobald der Pegel einen bestimmten Punkt erreicht hat, und die häufig Blockaden mit einem resultierenden Stillstand des nachgeschalteten Mehltransports und der Fertigungsanlagen verursachen. Das führt zu kostenintensiven Produktionsunterbrechungen, bis der Schaden behoben wurde. Die Art und die Dicke sowie das Anhaftverhalten der Verunreinigung werden weitgehend bestimmt von der Qualität des Mehls, den Fließ- und Entleerungseigenschaften des Mehls (abhängig von der Luftfeuchte in den Transportsilos der Zulieferer und im Speichersilo selbst) sowie von den jahreszeitlichen Temperaturschwankungen und anderen veränderlichen Parametern.

Der frühere Reinigungsprozess lief so ab, dass angemietete Reinigungskräfte/Industriekletterer mit manuellen Hebezeugen unter Aufsicht eines Sicherheitsbeauftragten in die Silos kletterten, um sie zu reinigen. Die Mehlreste – von leichtem Mehlstaub bis zu stark verkrusteten oder klebrigen Ablagerungen – wurden dann im Fall von leichten Verschmutzungen mit Bürsten oder Besen oder bei hartnäckigen Ablagerungen in Bergmannsmanier mit Spateln und Kratzern entfernt. Der Hauptnachteil dieser Lösung bestand nicht nur in der physischen und psychischen Belastung der Arbeiter, die mit Atemluft versorgt werden mussten, sondern auch darin, dass die Reinigung mehrere Stunden oder sogar einen ganzen Tag in Anspruch nahm.

Zudem variierten Reinigungsleistung und -ergebnis je nach Reinigungskraft, und das Ergebnis war nicht reproduzierbar. Aufgrund der exzentrischen Einstiegsöffnung war die Positionierung der Sicherheitsausrüstung und des Hebezeugs für die Reinigungskräfte kompliziert und zeitaufwändig. Um den oben beschriebenen Zeit- und Arbeitsaufwand so weit wie möglich zu reduzieren, suchte das Unternehmen nach einem verbesserten Reinigungsverfahren auf Wasserbasis und mit zuverlässig reproduzierbaren Ergebnissen. Eine wesentliche Voraussetzung war die vollständige Befolgung aller Kundenanforderungen in Bezug auf die Lebensmittelhygienevorschriften.

Weitere wichtige Faktoren für den Backwarenerzeuger waren Kosteneffizienz und eine Minimierung der Reinigungszeiten, Reinigungsmedien, -geräte und -hilfsmittel und nicht zuletzt die Nachhaltigkeit des Systems. Bei einem persönlichen Besuch im Werk wurde eine Liste mit Anforderungen, technischen Einzelheiten und örtlichen Gegebenheiten aufgestellt. Diese anfänglichen Überlegungen der Ingenieure wurden dann in ein Reinigungskonzept umgesetzt, das anschließend einem Praxistest (d. h. Basic Engineering) unterzogen wurde.

Ein wichtiger erster Schritt bei der Vorbereitung bestand in der Klärung des grundlegenden Ansatzes: Sollte eine Nieder-, Mittel- oder Hochdruckreinigungsmethode zum Einsatz kommen? 

Die folgenden Methoden wurden bewertet:

  • Die Niederdruckreinigung basiert auf der Wirksamkeit der chemischen Zusammensetzung des Reinigers, der Temperatur und dem Volumenstrom des Reinigungsmediums sowie auf der resultierenden Reinigungsgeschwindigkeit. Sie ist eine optimale Anwendung für Sprühkugeln und rotierende Düsenreiniger.
  • Die Mitteldruckreinigung basiert auf der Wirksamkeit der chemischen Zusammensetzung des Reinigers, der Temperatur und dem reduzierten Volumenstrom des Reinigungsmediums bei einem erhöhten Reinigungsdruck sowie auf der resultierenden Reinigungsgeschwindigkeit. Sie ist eine optimale Anwendung für rotierende Düsen und rotierende Zielstrahlreiniger.
  • Die Hochdruckreinigung basiert auf einer mechanischen Reinigungswirkung, die durch einen intensiven, direkten Reinigungsstrahl erzielt wird. Sie ist das typische Anwendungsgebiet für Orbitalreiniger.

Im nächsten Schritt wurde ein geeignetes Düsen- und Reinigungsmuster für die gewählte Druckreinigungsmethode aus den folgenden Düsensystemen ausgewählt, und zwar gemäß dem Verschmutzungstyp:

Statische Reiniger zur Reinigung von Behältern, Tanks und Containern wie Lagertanks und CIP-Tanks (Clean-In-Place) sind auf niedrige Drucke ausgelegt. Ein fester Sprühkopf sprüht das Reinigungsmedium auf die zu reinigende Fläche. Die Reinigung erfolgt durch Ausspülen oder Besprühen der Tankwände. Durch die Zufügung geeigneter Reiniger lässt sich die Reinigungswirkung bei gleichzeitiger Verkürzung der Reinigungszeiten erhöhen. Der Volumenstrom liegt zwischen 2,4 und 42 m3/h bei einem Druckunterschied von 1 bar. Der Reinigungsdurchmesser beträgt 0,8-8,0 m.

Rotierende Reiniger werden zur Reinigung von Tanks, Behältern und Containern mit starken Produktverkrustungen (z. B. größere Lagertanks, Fermentierungstanks, Tanks mit innen liegendem Rührwerk) eingesetzt. Diese Reiniger arbeiten in der Regel mit niedrigem Druck. Ein Strömungsgetriebe erzeugt einen fächerförmigen Strahl, der langsam auf einer Ebene rotiert und so die gesamte Fläche benetzt. Der Volumenstrom liegt zwischen 7,1 und 28 m3/h bei einem Versorgungsdruck von 2,3-4,3 bar. Der Reinigungsdurchmesser beträgt 2 bis 10 m. Je nach Material sind Betriebstemperaturen zwischen 80 und 100 °C möglich.

Orbitalreiniger zur Reinigung von Tanks, Behältern und Containern, für die eine spezielle mechanische Behandlung der Innenflächen durch einen konzentrierten Strahl erforderlich ist (z. B. Tankwagen, Produkttanks und -fässer), sind für niedrigen, mittleren oder hohen Druck konzipiert. Ein Strömungsgetriebe erzeugt einen hoch konzentrierten Reinigungsstrahl, der auf zwei Ebenen rotiert. Die optimale Strahlgeometrie wird durch speziell geformte Rundstrahldüsen und Kegelräder erzielt. Sie erzeugen ein dichtes orbitales Reinigungsmuster, das die gesamte zu reinigende Fläche abdeckt. Der Volumenstrom liegt zwischen 1,8 und 27 m3/h bei einem Versorgungsdruck von 4,5-80 bar. Der Reinigungsdurchmesser beträgt 2 bis 14 m.

Orbital-Tankwaschanlage Tempest
Orbital-Tankwaschanlage Tempest

Als die technischen Überlegungen hinsichtlich der geeigneten Methode schließlich auf die Kundenanforderungen abgestimmt wurden, schloss man die relativ kostengünstigen Sprühkugeln aufgrund des Verschmutzungsgrades, der gelegentlich sehr hoch sein kann, von Anfang an aus. Der rotierende Zielstrahlreiniger hätte im oberen Bereich des Silos funktioniert, es wäre jedoch nicht möglich gewesen, die optimale Reinigungsleitung nahe am Boden eines 33 Meter hohen Silos zu installieren. Um zusätzliche Investitionen des Kunden für die erforderlichen Pumpen zu vermeiden, wurden Überlegungen hinsichtlich Mittel- und Hochdruckreinigern verworfen.

Aufgrund der Gegebenheiten vor Ort, des Verschmutzungsgrades und der Silogeometrie fiel die Entscheidung zugunsten einer Niederdruckmethode mit einer optimierten wasserbasierten Reinigung, die in der Regel mit einer Pumpenleistung von 8 bis 9 bar mit Kaltwasser funktioniert. Da auf der Silokuppel keine externen Vorrichtungen zur Verfügung standen, wurde zu Testzwecken ein turbinengetriebener Reiniger gewählt. Aus Kostengründen entschied man sich gegen Reinigungschemikalien und thermische Unterstützung beim Reinigungsvorgang.

In Anbetracht der Einbauhöhe von über 33 Metern wurde ein Orbitalreiniger mit vier Düsen á 7 mm gewählt, der ca. 12 m3/h Reinigungswasser bei einem Betriebsdruck am Reiniger von ca. 5 bar ausstößt. Die Ingenieure gingen von kurzen Reinigungszyklen aus, als das Reinigungsergebnis zum ersten Mal ausgewertet wurde, daher entschied man sich, das Reinigungswasser in das werkseigene Abwassersystem zu entsorgen.

Um den gewählten Orbitalreiniger unter den gegebenen Bedingungen zu testen, wurde der Reiniger über einen Druckschlauch an eine am Siloboden befindliche Zentrifugalpumpe angeschlossen und dann exzentrisch in das Silo geführt und bei einer Eintauchtiefe von 2500 mm und einem seitlichen Wandabstand von 500 mm platziert.

Nachdem der Reiniger platziert worden war, wurde der Reinigungsvorgang gestartet und überwacht. Als der Vorgang nach drei Minuten gestoppt wurde, hatte sich bereits ein Großteil der anhaftenden und sogar der kritischen Verschmutzung von denjenigen Siloflächen gelöst, die von den kräftigen Reinigungsdüsen bearbeitet worden waren. Dieses Reinigungsergebnis, das bereits nach wenigen Minuten erreicht worden war, bestätigte, dass der eingeschlagene Weg der richtige war. Nach einer Gesamtreinigungsdauer von nur 15 Minuten waren alle Verschmutzungen – auch die besonders hartnäckigen Mehlverkrustungen – verschwunden. Trotz der exzentrischen Position des Reinigers funktionierte der Vorgang ohne Pendelbewegung im Silo, da ja ein Strahlmuster erzeugt wurde, das die gesamte Silofläche abdeckte, auch in der niedrigeren Bereichen.

Nach dem Abschluss der wasserbasierten Reinigung des Silos war noch ein weiterer Punkt zu berücksichtigen, nämlich die Trocknung, da diese einen unerlässlichen Schritt aus verfahrenstechnischer Sicht darstellt.

Aufgrund der jahreszeitlich idealen Bedingungen für den beschriebenen Reinigungsprozess und da sich die Silos im Freien befinden, entschied man sich dafür, die Restfeuchte durch Konvektion zu entfernen. Direkte Sonneneinstrahlung auf die Silofläche gewährleistet eine ausreichende Trocknung aus technischer und ökonomischer Sicht. Damit verbliebenes Wasser leicht verdampfen kann, wurde die obere Einstiegsöffnung und die Verbindung am Boden des Siloauslasskegels geöffnet, um eine optimale Belüftung und eine Feuchtigkeitsabfuhr zu fördern.

Bei ähnlichen Anwendungen, wo die Silos nicht mit Hilfe von Sonneneinstrahlung getrocknet werden können, bietet sich die Verwendung von Heißwasser als Reinigungsmedium als ergänzende Lösung an. Das Heißwasser wärmt die Silowände während der Reinigung an, und anschließend tocknen die Siloinnenflächen durch Konvektion.

Falls für die Reinigung kein Heißwasser verfügbar ist, stellt das Einblasen von filtierter Heißluft in die Öffnungen oben und unten am Tank eine andere praktikable Lösung für eine zuverlässige Trocknung der Silokontaktflächen dar. Es muss hierbei darauf geachtet werden, dass ausreichende Volumenströme gewählt werden.

Um das Reinigungsziel zu erreichen, wurden ca. 3.000 Liter Kaltwasser verbraucht. Das Wasser wurde zusammen mit dem entfernten Mehl in das werkseigene Abwassersystem entsorgt.

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