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Strömungs- und Temperatursensoren optimieren den Prozess: Ausgabe 04/2019, 07.03.2019

Filtermonitoring in der Milchindustrie

Joghurt, Milchdrinks, Müsli-Riegel und Quark: Mittlerweile werden viele Lebensmittel mit Protein angereichert. Eiweissreiche Nahrungsmittel liegen aktuell im Trend. Das Eiweiss soll u.a. beim Abnehmen helfen und den Muskelaufbau unterstützen. Die Herstellung der Ausgangsstoffe lässt sich optimieren, wenn die Filtrationsprozesse mit der passenden Sensorik überwacht werden.

Autor: Martin Leupold, Ellen-Christine Reiff, Text und BIlder

Die Grundlage für Proteine, die zur Nahrungsmittelanreicherung genutzt werden, liefern meist Molke oder Magermilch. Sie werden Schritt für Schritt filtriert, um die Proteinkonzentration zu erhöhen und unerwünschte Bestandteile vom Protein zu trennen. Ziel ist die Gewinnung eines Retentats bzw. Konzentrats mit möglichst hohem Proteingehalt, das anschliessend getrocknet und weiterverarbeitet wird. Dieser Prozess ist sehr energieintensiv und hängt entscheidend vom Zustand der Filter ab. Kalorimetrische Strömungssensoren können die Überwachung des Filterzustands erleichtern und so dazu beitragen, die Qualität und Wirtschaftlichkeit der Proteingewinnung zu optimieren.

Ein Sensor für Temperatur und  Strömungsgeschwindigkeit In den Filteranlagen der Milchindustrie ist die Crossflow-Technologie üblich, um bei Milch oder Molke den Proteingehalt zu erhöhen. Die Medien, die sogenannten Feeds, werden solange durch entsprechende Filter gepumpt bis das verbleibende Retentat die gewünschte Trockenmasse hat. Indikator für die Wirksamkeit der Filtrationspumpen und damit des Filtrierprozesses sind meist eine Kombination von Temperatur- und Druckmessung. Anhand der Druckdifferenz der Messwerte vor und hinter einer Filtrationsanlage lassen sich Rückschlüsse auf die Filterverschmutzung ziehen.
Doch warum nicht den direkten Weg gehen und die Fliessgeschwindigkeit des Mediums messen, um sicher zu wissen wie der Filtrationsprozess funktioniert? Bei zu niedriger Strömungsgeschwindigkeit beispielsweise verstopft der Filter schneller und muss gereinigt oder ausgetauscht werden. Strömungsverlagerungen sind bei parallel geschalteten Modulbatterien ein permanentes Problem. Bei zu hoher Strömungsgeschwindigkeit wird der zulässige Druckverlust pro Modul überschritten und die Module teleskopieren.
Gleichzeitig ist die Temperatur eine wichtige Grösse beim Filtrieren. Die hierbei meist gewählte Temperatur von ca. 50 °C begünstigt die Filtration, ohne dass es schon zu einer Denaturierung der thermolabilen Molkenproteine kommt. Die Prozesstemperaturen müssen also ebenfalls überwacht werden. Thermische Strömungssensoren, wie beispielsweise die FlexFlow-Sensoren sind deshalb für das Filtermonitoring eine praktikable und kosteneffiziente Lösung, denn sie messen sowohl Temperatur als auch Strömungsgeschwindigkeit. Da die Sensoren zudem ohne bewegliche mechanische Bauteile auskommen, sind sie nahezu wartungsfrei und ermöglichen so über viele Jahre eine sichere Überwachung der Querstromfilter.

Das kalorimetrische Messprinzip
Die Strömungssensoren arbeiten nach dem kalorimetrischen Messverfahren. Dieses basiert auf den physikalischen Gesetzmässigkeiten der Wärmeleitung und des Wärmetransports in Flüssigkeiten und Gasen. Ein Körper höherer Temperatur gibt an seine Umgebung Energie in Form von Wärme ab. Die Höhe der Energieabgabe ist abhängig von der Temperaturdifferenz und dem Massefluss des vorbeiströmenden Mediums. Das lässt sich messtechnisch nutzen:
Ein wenige Grad über Medientemperatur aufgeheizter Sensor wird durch die ihn umströmende Flüssigkeit abgekühlt, dabei ist der Grad der Abkühlung direkt abhängig von der Art und Menge der vorbeiströmenden Masse. Neben der Fliessgeschwindigkeit lässt sich so mit einem Sensor simultan auch die Medientemperatur erfassen und überwachen. Das reduziert die Anzahl der Messstellen und minimiert den Aufwand für Installation, Service und Lagerhaltung.

Überwachung des Filterzustands für optimale Reinigungsintervalle
Um den Filterzustand zu überwachen, genügen bei einer typischen Anordnung drei Sensoren: einer im zentralen Zulauf des Feeds, ein weiterer im seitlichen Abfluss des Permeats und ein dritter zur Überwachung des Retentats. Veränderungen der Strömungsgeschwindigkeiten geben Aufschluss über den Zustand des Filters, Reinigungsintervalle lassen sich so optimieren oder Filter rechtzeitig tauschen. Das spart Zeit und obendrein auch noch Energie, weil auch die Leistung der Pumpen immer präzise angepasst werden kann.
Das Filtermonitoring mit Hilfe der thermischen Strömungssensoren verbessert damit den gesamten Prozess. Denkbar wäre auch die Überwachung der gleichmässigen Anströmung aller parallel geschalteten Modulrohre, da Strömungsverlagerungen letztlich immer dazu führen, dass einzelne Module verstopfen bzw. andere strömungstechnisch überlastet werden.
Für den Einsatz in der Milchindustrie sind die Sensoren zudem bestens gerüstet. Die Version PF20H ist speziell für den Einsatz in hygienisch sensiblen Bereichen ausgelegt. Sie eignet sich für Fliessgeschwindigkeiten von 10 bis 400 cm/s und Temperaturen zwischen –25 und 150 °C. Auch CIP- oder SIP-Reinigungsprozesse können mit diesem Sensor bestens überwacht werden. Die Sensoren gibt es mit unterschiedlichen Prozessanschlüssen und Stablängen von 16 bis 200 mm. Dank seines symmetrischen und zentrierten Designs kann der Sensor unabhängig von Einbaulage und Ausrichtung optimal im Prozess installiert werden. Das garantiert präzise Messungen und Prozesssicherheit.

Hygienegerecht und  kommunikationsfähig
Unterschiedliche, für die Milchindustrie zugelassene Anschlussvarianten stehen zur Wahl. Die EHEDG-zertifizierte Baumer Hygienic Connection (BHC) ist ein Beispiel dafür, wie cleveres Design helfen kann, eine Bakterienkontamination im Prozess von vornherein zu verhindern. Der frontbündige Einbau ohne Tot räume trägt entscheidend zur Lebensmittelsicherheit bei und vereinfacht die Reinigung. Auch die Anbindung an die über geordnete Automatisierung ist einfach. Die Sensoren gibt es entweder in Analogausführung (4 bis 20 mA, 0 bis 10 V) oder mit frei einstellbaren Ausgängen mittels IO-Link. Die Schnittstelle IO-Link erlaubt die gleichzeitige Parametrierung mehrerer Sensoren. Das vereinfacht die Schaltpunktanpassung für unterschiedliche Prozessschritte und spart Zeit.
Alle Datensätze können zudem zentral in der SPS vorgehalten werden, was eine fehlerfreie Konfiguration der Anlage gewährleistet. Bei der Sensorvariante mit IO-Link gehört zudem die für thermische Strömungssensoren typische Systemschwäche der Vergangenheit an, nämlich die Unterscheidung zwischen Temperatur- oder Strömungsänderung bei grossen Temperatursprüngen, wie sie in einem CIP-Prozess vorkommen z. B. beim Wechsel von kaltem Vorspülwasser auf heisse Reinigungsmedien. Ein integriertes Quality-Bit signalisiert, ob das Strömungssignal gültig oder ungültig ist. Damit ist auch die zuverlässige Überwachung der Reinigung gewährleistet.
Im Rahmen eines Kooperationsprojekts mit der Staatlichen Fachschule für Agrarwirtschaft, Fachrichtung Milchwirtschaft und Molkereiwesen Kempten, wird der verfahrenstechnische und betriebswirtschaftliche Nutzen der Strömungssensoren als Zusatzausstattung im Rahmen einer Meisterarbeit in einem Molkereibetrieb unter der fachlichen Leitung von Martin Barnickel verifiziert.

Infoservice
Baumer Electric AG
Hummelstrasse 17, 8501 Frauenfeld
Tel. 052 728 11 22, Fax 052 728 11 44
sales.ch@baumer.com, www.baumer.com



Molke oder Magermilch werden Schritt für Schritt filtriert, um die Proteinkonzentration zu erhöhen und unerwünschte Bestandteile vom Protein zu trennen


Der frontbündige Einbau der Prozesssensoren mit der Baumer Hygienic Connection ohne Totraum trägt zur Lebensmittelsicherheit bei


Die thermischen Strömungssensoren sind für das Filtermonitoring eine praktikable Lösung

Autoren



Martin Leupold,  Senior PM Prozesssensoren bei Baumer, Ellen-Christine Reiff, Redaktions- büro Stutensee