DE19524211A1 - Anlagen-Reinigungsverfahren mit integrierter Vorspülung - Google Patents
Anlagen-Reinigungsverfahren mit integrierter VorspülungInfo
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Description
Die Anmeldung betrifft eine neue Verfahrensabfolge zur Reinigung von Ver
arbeitungs-Anlagen für Getränke oder Lebensmittel in den entsprechenden
Verarbeitungsbetrieben. Beispiele hierfür sind milchverarbeitende Be
triebe, Brauereien, Betriebe zur Fruchtsaftverarbeitung, zur Herstellung
von Lebensmittelkonserven und von Tiefkühlkost. Durch einen integrierten
Recyclingschritt bringt das neue Verfahren ökonomische und ökologische
Vorteile.
Für die Reinigung derartiger Anlagen hat sich das sogenannte "cleaning-in-place"
(CIP) Konzept durchgesetzt. Dies bedeutet, daß die für die Auf
nahme und Verarbeitung von Lebensmitteln oder Getränken vorgesehenen An
lagen mit einem fest installierten Reinigungssystem versehen sind. Das
Reinigungssystem besteht in der Regel aus mehreren Vorratsbehältern für
Reinigungslösung, Vor- und Nachspüllösungen und gegebenenfalls für
rücklaufendes Schmutzwasser. Über durch Ventile ansteuerbare Leitungen
werden die einzelnen Reinigungslösungen der zu reinigenden Anlage zuge
führt und gegebenenfalls bis zum Ende des Reinigungsprozesses im Kreis
gepumpt. Die Reinigungslösungen selbst können entweder stark sauer oder
stark alkalisch sein, also beispielsweise pH-Werte zwischen etwa 0 und
etwa 2 oder zwischen etwa 12 und etwa 14 aufweisen. Außer den Säuren bzw.
Alkalien wie beispielsweise Natronlauge enthalten die Reinigungslösungen
fakultativ weitere Additive wie beispielsweise Tenside, Entschäumer, Korn
plexbildner sowie Desinfektionswirkstoffe. "Neutrale" Reiniger mit einem
pH-Wert im Bereich von etwa 4 bis etwa 9 sind ebenfalls möglich.
Bei der CIP-Reinigung der Anlagen in der Lebensmittel- oder Getränkever
arbeitenden Industrie geht man derzeit üblicherweise so vor, daß man die
entleerte Anlage zum Entfernen von Produktresten mit Wasser vorspült. Das
mit Produktresten verunreinigte Wasser wird üblicherweise der Kanalisation
zugeführt und geht daher für den weiteren Prozeß verloren. Der Vorspül
schritt kostet damit Wasser, Zeit und auch Energie.
Nach dieser Vorspülung erfolgt üblicherweise die eigentliche Reinigung,
bei der die Reinigungslösung aus dem Vorratstank durch die Anlage gepumpt
und wieder in den Vorratstank zurückgeführt wird. Die Reinigungslösung
läuft dabei so lange im Kreis, bis der gewünschte Reinigungserfolg einge
treten ist. Die Reinigungslösung wird dabei durch den aus der Anlage ent
fernten Schmutz zunehmend verunreinigt und muß nach kurzer Zeit verworfen
oder aufbereitet werden. Zur Aufbereitung der verschmutzten Reinigungslö
sung wurden in den letzten Jahren Regenerationssysteme wie zum Beispiel
Alka Save oder Niro Filtration Systems in den Markt eingeführt. Bei der
artigen Regenerationsverfahren werden Schmutzkomponenten aus der Reini
gungslösung entfernt und damit deren Lebensdauer verlängert. Der eigent
liche, aus Vorspülung, Reinigung und Nachspülung bestehende Reinigungs
prozeß wird hierdurch jedoch nicht beeinflußt.
Nach der eigentlichen Reinigung folgt eine Spülung mit Wasser, um Reste
der Reinigungslösung aus der Anlage vollständig zu entfernen. Hierbei
fällt ein mit Resten der Reinigungslösung und mit Schmutzresten verunrei
nigtes Spülwasser an, das zur Wasserersparnis als Vorspüllösung, wie
weiter oben beschrieben, eingesetzt werden kann. Die Tendenz zum Wieder
einsatz dieses Wassers ist jedoch aus mehreren Gründen rückläufig: es be
steht die Gefahr der Anpassung von Mikroorganismen an die im Spülwasser
verdünnt vorliegenden Reinigungs- und Desinfektionswirkstoffe. Die in der
Spüllösung und im entsprechenden Stapeltank stets vorhandenen Keime ver
mehren sich und Schmutzkomponenten sammeln sich an. Bei der Vorspülung
werden daher zusätzlich Keime und Schmutz in die zu reinigenden Anlagen
eingebracht. Dies verschlechtert die Ausgangssituation für die Reinigung
und Desinfektion. Verwendet man eine saure Reinigungslösung, so liegt in
vielen Fällen der pH-Wert der Spüllösung im Bereich des isoelektrischen
Punktes der zu entfernenden Proteinverschmutzungen. Dadurch wird die Rei
nigung erheblich erschwert.
Die vorliegende Erfindung stellt sich die Aufgabe, das
CIP-Reinigungsverfahren derartig zu verbessern, daß der Wasserbedarf sowie der
Zeit- und Energieaufwand verringert werden und daß gegebenenfalls zusätz
lich der aus der Anlage entfernte Schmutz in einer konzentrierten Form
anfällt, so daß erleichter weiterbehandelt bzw. entsorgt werden kann.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Reinigung von Verarbei
tungs-Anlagen für Getränke oder Lebensmittel, dadurch gekennzeichnet, daß
man
- a) ohne Vorspülung die Reinigungslösung aus dem Reinigungslösungs-Behäl ter durch die Anlage pumpt,
- b) einen ersten Teil (= Vorlauf) der aus der Anlage zurücklaufenden Rei nigungslösung in einem Recyclingtank auffängt,
- c) den anschließend zurücklaufenden Hauptteil der Reinigungslösung in den Reinigungslösungs-Behälter zurückführt,
- d) den im Recyclingtank gesammelten Vorlauf einem Trennverfahren unter wirft, durch das der Vorlauf in ein mit Schmutz angereichertes Kon zentrat und ein an Schmutz verarmtes Regenerat aufgetrennt wird, und
- e) das Regenerat in den Reinigungslösungs-Behälter überführt und das mit Schmutz angereicherte Konzentrat entsorgt.
Im Gegensatz zum bisherigen Verfahren wird also auf eine getrennte Vor
spülung verzichtet und gemäß Teilschritt a) die Reinigungslösung ohne
vorherige Vorspülung in die Anlage gepumpt. Dabei ist es empfehlenswert,
die Anlage vorher möglichst weitgehend zu entleeren. Der erste Teil der
aus der Anlage zurücklaufenden Reinigungslösung, hier als Vorlauf be
zeichnet, ist dann noch sehr stark durch Produktreste aus der Anlage
verunreinigt. Diese Verunreinigung zeigt sich daran, daß die Reinigungs
lösung aufgrund der Belastung mit Produktresten einen stark erhöhten che
mischen Sauerstoffbedarf (CSB) aufweist. Die nach diesem Vorlauf zurück
laufende Reinigungslösung weist demgegenüber einen deutlich verringerten
CSB-Wert auf, da sie nur noch mit dem abgelösten Schmutz, jedoch nicht
mehr mit den ausgespülten Produktresten verunreinigt ist.
Der Kern der Erfindung besteht in seinem ersten Schritt darin, den mit
Produktresten belasteten und einen erhöhten CSB-Wert aufweisenden Vorlauf
getrennt aufzufangen und einem Recycling-Behälter zuzuführen. Welchen An
teil dieser Vorlauf im Einzelfall an dem Gesamtvolumen der umlaufenden
Reinigungslösung hat, ist anlagenspezifisch und muß durch Analyse des
CSB-Wertes für jede Anlage zunächst experimentell bestimmt werden. Übli
cherweise liegt der Anteil des stark CSB-belasteten Vorlaufs, der gemäß
Teilschritt b) in einem Recyclingtank aufgefangen wird, bei etwa 1 bis
etwa 25% der gesamten eingesetzten Reinigungslösung.
Der nach dem Vorlauf zurücklaufende Hauptteil der Reinigungslösung wird
dem Reinigungslösungs-Behälter zugeführt und gegebenenfalls so lange im
Kreis gepumpt, bis der erwünschte Reinigungseffekt erreicht wird.
Teilschritt d) stellt den zweiten erfindungswesentlichen Schritt dar. In
diesem wird der mit Produkt belastete und einen erhöhten CSB-Wert aufwei
sende Vorlauf, der im Recyclingtank gesammelt wurde, einem Trennverfahren
unterworfen. Durch dieses Trennverfahren wird der Vorlauf in ein mit
Schmutz angereichertes Konzentrat und ein an Schmutz verarmtes Regenerat
aufgetrennt, das noch weitgehend den Säure- bzw. Alkaligehalt der Reini
gungslösung aufweist. Hierbei setzt man als Trennverfahren vorzugsweise
einen Membranprozeß und insbesondere eine Mikrofiltration, eine Ultrafil
tration oder eine Nanofiltration ein. Eine Nanofiltration ist besonders
bevorzugt. Bei den verbreitet eingesetzten alkalischen Reinigungslösungen
kann man hierfür eine Keramikmembran oder eine alkalistabile organische
Polymermembran einsetzen, wie sie beispielsweise von Membrane Products
Kyriat Weizmann, Rehovot, Israel vertrieben wird.
Wie weit man durch einen derartigen Membranprozeß den im Recyclingtank
gesammelten Vorlauf in ein wiederverwertbares Regenerat (Permeat) und ein
zu entsorgendes Retentat aufspalten kann, hängt von der Art und dem Ausmaß
der Verschmutzung durch Lebensmittel- bzw. Getränkereste ab. Durch expe
rimentelle Laborversuche mit künstlich bereiteten verschmutzten Vorläufen
unter Verwendung von Getränken wie beispielsweise Milch oder Bier wurde
festgestellt, daß sich unter praxisnahen Verhältnissen etwa ein Anteil von
ungefähr 60 bis ungefähr 95 Volumen-% des Vorlaufs als Regenerat gewinnen
läßt. Dabei ist das Gesamtverfahren um so wirtschaftlicher, je mehr Rege
nerat erhältlich ist.
Das Regenerat, das bei sauren Reinigungslösungen noch weitgehend die Säure
und bei alkalischen Reinigungslösungen noch weitgehend die Alkalität ent
hält, wird in den Reinigunslösungs-Behälter überführt. Da jedoch ein Teil
der Säure bzw. der Alkalität durch chemischen Verbrauch oder durch Zu
rückhaltung im Retentat verloren geht und da weiterhin Additive wie bei
spielsweise Tenside oder Entschäumer im Retentat zurückgehalten werden,
ist es von Zeit zu Zeit erforderlich, die verbrauchten bzw. ausgetragenen
Wirksubstanzen zu ersetzen. Am einfachsten kann dies dadurch geschehen,
daß man als Steuerparameter für die Nachdosierung die elektrische Leit
fähigkeit der Reinigungslösung wählt und bei Unterschreiten einer ge
setzten Mindestgrenze ein Wirkstoffkonzentrat aus einem Vorratsbehälter
automatisch nachdosiert.
Das an Schmutz angereicherte Konzentrat, dessen Feststoffgehalt bei
spielsweise im Bereich von etwa 25 bis etwa 35 Gew.-% liegen kann, wird
vorzugsweise getrennt entsorgt, beispielsweise durch Verbrennen oder durch
biologischen Abbau, beispielsweise in einem Faulturm. Natürlich könnte das
Konzentrat auch dem normalen Betriebsabwasser zugegeben werden, jedoch ist
dies aus ökologischen Gründen weniger bevorzugt.
Es ist in der Regel nicht erforderlich, die Temperatur der im
Recyclingtank gesammelten schmutzbelasteten Reinigungslösung für den
Trennprozeß auf einen bestimmten Wert einzustellen. Vielmehr kann dieje
nige Temperatur beibehalten werden, die bei der speziellen Anlage im Rei
nigungskreislauf aufrechterhalten wird. Bei Anlagen zur Milchverarbeitung
liegt diese Temperatur üblicherweise deutlich oberhalb Zimmertemperatur
und kann beispielsweise im Bereich zwischen etwa 50 und etwa 80°C liegen,
bei der Reinigung von Milcherhitzern aber auch 90°C überschreiten. Bei
der Reinigung von Anlagen im Brauereiwesen sind dagegen Temperaturen im
Bereich der Zimmertemperatur ausreichend. Um keinen zusätzlichen energe
tischen Aufwand zu treiben, führt man den im Recyclingtank gesammelten
Vorlauf bei dessen jeweils aktueller Temperatur dem Trennprozeß zu.
Auch wenn durch den vorstehend beschriebenen Prozeß die Reinigungslösung
weitgehend regeneriert wird, so wird jedoch ein sehr kleiner Volumenanteil
als schmutzbelastetes Retentat ausgetragen. Die Ergänzung des hierbei
auftretenden Verlusts erfolgt vorzugsweise während des nächsten Schrittes
des gesamten Reinigungsprozesses: Nach der eigentlichen Reinigung und der
Rückführung der Reinigungslösung in den Reinigungslösungs-Behälter erfolgt
eine Nachspülung der Anlage mit Frischwasser, um verbliebene Reste der
Reinigungslösung auszuspülen. Der erste aus der Anlage zurücklaufende Teil
des Spülwassers enthält dann den Hauptteil der in der Anlage verbliebenen
Reinigungslösung. Man führt nun einen so großen Anteil des ersten zurück
laufenden Spülwassers in den Reinigungslösungstank zurück, daß der durch
die Abtrennung des Schmutzes verlorengegangene Volumenanteil ersetzt wird.
Da dieser erste Spülwasseranteil noch Wirksubstanzen der Reinigerlösung
enthält, ist dieses Vorgehen wirtschaftlicher, als den Volumenverlust mit
frischer Reinigungslösung auszugleichen.
Das erfindungsgemäße Verfahren weist demnach gegenüber den bisherigen
Verfahren folgende Vorteile auf:
Eine getrennte Vorspülung der Anlage entfällt, so daß kein zu entsorgendes
Spülwasser anfällt und außerdem Zeit und Energie eingespart werden.
Es wird nur ein kleiner Anteil der eigentlichen Reinigungslösung ("Vor
lauf") einem Trennprozeß unterworfen, so daß die Trennanlage kleiner di
mensioniert sein und mit einem verringerten Energieaufwand betrieben wer
den kann, als wenn man die gesamte Reinigungslösung aufarbeiten würde.
Der Reste der Reinigungslösung enthaltende erste Spülwasseranteil wird der
Reinigungslösung wieder zugegeben, so daß die Wirkstoffe erneut eingesetzt
werden. Der Rest des Spülwassers ist nur wenig verunreinigt und kann
problemlos in die Kanalisation gegeben, bei Wunsch jedoch auch weiter
aufbereitet werden.
Eine Lagerung des Spülwassers zur nachfolgenden Verwendung als Vorspüllö
sung entfällt, so daß sich keine Gefahr ergibt, daß sich Mikroorganismen
anreichern und an die Wirkstoffe adaptieren könnten.
Durch eine direkte Entsorgung des hoch schmutzbelasteten Retentats aus der
Auftrennung des Vorlaufs, beispielsweise durch Verbrennen oder Faulung in
einem Faulturm, wird die Abwasserbelastung deutlich verringert.
Gegenüber dem konventionellen Verfahren, bei dem die Nachspüllösung im
nächsten Schritt zur Vorspülung eingesetzt wird, wird weiterhin die Gefahr
einer mikrobiologischen Verunreinigung verringert. Gegenüber älteren Ver
fahren, die zur Vorspülung der Anlage direkt Frischwasser einsetzen, führt
der erfindungsgemäße Prozeß zu einer vollständigen Einsparung dieses Vor
spülwassers.
Die Standzeit der Reinigungslösung kann dadurch verlängert werden, daß man
während längerer Stillstandszeiten, beispielsweise am Wochenende, die ge
samte Reinigungslösung dem Trennprozeß unterwirft, dessen Kapazität wäh
rend normaler Betriebszeiten nur zur Auftrennung des Vorlaufs ausreichen
muß.
Nachstehend wird der Trennschritt d) beispielhaft erläutert:
In Laborversuchen wurde die Wirkung einer Nanofiltration auf praxisnah
simulierte Vorläufe von Reinigungslösungen untersucht. Hierfür wurde eine
kommerziell erhältliche Nanofiltrationsmembran auf Basis organischer Po
lymere (Lieferant: Membrane Products Kyriat Weizmann, Rehovot, Israel)
eingesetzt.
In einem ersten Versuch wurde ein Vorlauf einer Milcherhitzer-Reinigung
simuliert. Hierzu wurden 11,6 kg Vollmilchpulver (26 Gew-% Fett in
Trockenmasse) und 3 kg 50 gew.-%ige Natronlauge mit Wasser zu 100 kg aufge
füllt. Diese Lösung wurde bei 65°C unter Rühren für eine Zeitdauer von 4
Stunden verseift. Danach wurde mit Wasser im Volumenverhältnis 1 : 1 ver
dünnt. Der Laugengehalt wurde anschließend durch Titrieren bestimmt und
durch Zugabe von Natronlauge auf eine Na(OH)-Gehalt von 1,5 Gew-% einge
stellt.
Die Lösung wurde bei einer Temperatur von 60°C durch die Nanofiltrati
onsmembran filtriert. Innerhalb der ersten 25 Stunden fiel der Membranfluß
von 22 Litern pro Stunde und Quadratmeter (L/hm²) auf 10 L/hm², der
CSB-Wert des Retentats stieg von 80 000 auf 150 000, das Permeat wies nach 25
Stunden einen CSB-Wert von 10 000 auf. Auf der Retentatseite wurde frische
Lösung zugegeben, wodurch der CSB-Wert im Retentat abnahm und der Mem
branfluß anstieg. Der Versuch wurde für weitere 150 Stunden durchgeführt,
wobei vier mal nach jeweils 25 Stunden frische Lösung auf der
Retentatseite zugegeben wurde. Nach einer Laufzeit von insgesamt 175
Stunden war der CSB-Wert des Retentats auf 380 000 angestiegen. Der
CSB-Wert des Permeats lag bei 50 000.
In einem zweiten Versuch wurden 2,5 kg Vollmilch (Fettgehalt 3,5 Gew.-%)
mit 5 kg Wasser und 840 g 50 Gew.-%ige Natronlauge versetzt und bei 80°C
vier Stunden lang gerührt. Danach wurde mit Wasser auf 40 L aufgefüllt.
Die Lösung wurde mit 200 g Dinatrium-Ethylendiamintetraacetat versetzt. Die
Lösung wies einen CSB-Wert von 10 000 auf. Sie wurde mit einer Temperatur
im Bereich zwischen 50 und 65°C über die Nanofiltrationsmembran gefahren.
Bei einer Temperatur von 50°C zu Beginn der Filtration betrug der Mem
branfluß 30 L/hm², das Permeat hatte einen CSB-Wert von etwa 300. Inner
halb der ersten zehn Stunden Filtrationszeit wurde die Temperatur der Lö
sung auf 65°C erhöht. Der Membranfluß stieg dabei auf 40 L/hm². Die Tem
peratur wurde auf 60°C abgesenkt und auf diesem Wert für den weiteren
Verlauf des Versuchs gehalten. Während einer Filtrationszeit von insgesamt
70 Stunden stieg der CSB-Wert des Retentats auf 30 000. Der CSB-Wert des
Permeats lag bei 1000. Der Membranfluß betrug bei Versuchsabbruch
25 L/hm².
Claims (6)
1. Verfahren zur Reinigung von Verarbeitungs-Anlagen für Getränke oder
Lebensmittel, dadurch gekennzeichnet, daß man
- a) ohne Vorspülung die Reinigungslösung aus dem Reinigungslösungs-Be hälter durch die Anlage pumpt,
- b) einen ersten Teil (= Vorlauf) der aus der Anlage zurücklaufenden Reinigungslösung in einem Recyclingtank auffängt,
- c) den anschließend zurücklaufenden Hauptteil der Reinigungslösung in den Reinigungslösungs-Behälter zurückführt,
- d) den im Recyclingtank gesammelten Vorlauf einem Trennverfahren un terwirft, durch das der Vorlauf in ein mit Schmutz angereichertes Konzentrat und ein an Schmutz verarmtes Regenerat aufgetrennt wird, und
- e) das Regenerat in den Reinigungslösungs-Behälter überführt und das mit Schmutz angereicherte Konzentrat entsorgt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der in Teil
schritt b) aufgefangene Vorlauf 1 bis 25% der gesamten eingesetzten
Reinigungslösung ausmacht.
3. Verfahren nach einem oder beiden der Ansprüche 1 und 2, dadurch ge
kennzeichnet, daß man im Teilschritt d) als Trennverfahren einen Mem
branprozeß einsetzt.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß man als Mem
branprozeß eine Mikrofiltration, eine Ultrafiltration oder eine
Nanofiltration einsetzt.
5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge
kennzeichnet, daß der Trennprozeß im Teilschritt d) so weit durchge
führt wird, daß ein Anteil von 60 bis 95 Vol-% des Vorlaufs als Rege
nerat gewonnen wird.
6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge
kennzeichnet, daß nach der Reinigung der Anlage eine Nachspülung mit
Frischwasser erfolgt und ein so groß gewählter erster Anteil der
rücklaufenden Nachspüllösung dem Reinigungslösungs-Behälter zugeführt
wird, daß der in den Teilschritten d) und e) entfernte Volumenanteil
des schmutzbelasteten Konzentrats ausgeglichen wird.
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