Abwasserkontrolle und Prozesssteuerung über Trübungsmessung in der Milchverarbeitung

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1 Milch Perspektiven in der Prozessanalytik 10 News Abwasserkontrolle und Prozesssteuerung über Trübungsmessung in der Milchverarbeitung INGOLD Leading Process Analytics Mit der kontinuierlichen Trübungsmessung im Abwasser eines großen skandinavischen Milch verarbeitenden Betriebes werden Produktionsprozesse gesteuert, der Abwasserfluss kontrolliert und mit der automatischen Reinigung der Sensoren Wartungskosten gespart. Milchwirtschaft in Skandinavien Die skandinavischen Länder sind aus Tradition der Milchwirtschaft stark verbunden. Verschiedenste Marktführer, wie auch unser Kunde, sind in dieser Region zu finden. Die Globalisierung wie auch umweltschonende Produktionsmethoden prägen die Milchwirtschaft stark. Somit ist es nicht verwunderlich, dass bei der Verarbeitung von Milch die Abwasserentsorgung zunehmend an Bedeutung gewinnt und betriebliche Prozesse laufend optimiert werden müssen. Abwasser als Kostenfaktor Der Abwasseranfall ist für Milch verarbeitende Betriebe ein nicht zu unterschätzender Kostenfaktor. Die Optimierung der Produktionsprozesse und des innerbetrieblichen Produktionsablaufes sind von zentraler Bedeutung. Das Abwassermanage- ment wird heute genutzt, um auf fehlerhafte Produktionsabläufe rasch reagieren zu können. Verschiedene Parameter werden zu diesem Zweck online eingesetzt. Die Messungen dienen neben der Steuerung der Betriebsprozesse auch der Bestimmung der Belastung des den Betrieb verlassenden Wassers, denn dieses kann bei übermäßiger Belastung entsprechend hohe staatliche Gebühren zur Folge haben. Kontrollparameter beim Abwasser Der Chemische Sauerstoffbedarf (CSB- Wert) gilt in der Milchwirtschaft als Summenparameter. Die kontinuierliche Bestimmung des CSB im Abwasser ist jedoch zeitaufwendig. Für eine on-line Messung werden daher die optischen Eigenschaften von Abwasserproben wie die Absorptions- und Trübungsmessung genutzt.

2 Herausgeber Mettler-Toledo AG Process Analytics Im Hackacker 15 CH-8902 Urdorf Schweiz Bilder MarCom-Archiv CH-8902 Urdorf, Schweiz Archiv DSS Silkeborg AS Archiv Food Processing Technology Durch eine Kombination beider Parameter lässt sich der CSB-Wert berechnen und die Anlagensteuerung optimieren. Produktverluste und Abwassergebühren sind als Kostenfaktoren eng miteinander verbunden. Mit Hilfe der Abwasseranalytik lassen sich die Produktverluste relativ genau ermitteln. So kann über bekannte CSB-Werte für einzelne Produkte der Produktverlust aus dem im Abwasser gemessenen CSB-Wert berechnet werden. METTLER TOLEDO Lösung Unser Kunde konnte überzeugt werden, nicht Leitfähigkeit, sondern Trübung als Messparameter einzusetzen, da bei der Messung der Leitfähigkeit die Messwerte durch einen sich verändernden Säuregehalt verfälscht würden. Die getesteten Konkurrenzprodukte (max. 60 C) konnten die Anforderungen nicht erfüllen, da bei Betriebstemperaturen zwischen 81 und 90 C nur Sensoren aus rostfreiem Stahl in Frage kommen. Folgende Komponenten bildeten ein Messsystem: Trübungssensor InPro 8100 aus rostfreiem Stahl für Rückwärtsstreulicht Eintaucharmatur InDip 550 für offene Becken Transmitter Trb 8300 Kalibrier- und Reinigungssystem EasyClean 100 Es wurden 5 gleichartige Systeme installiert, und zwar je eines an jedem Abwasserauslass. Die Systeme arbeiten seit August 2006 zur vollen Zufriedenheit. Messvorgang Aus Sicherheitsgründen müssen die Messungen und Protokollaufnahmen immer von zwei Angestellten zusammen durchgeführt werden. Die Zahl dieser aufwändigen Kontrollgänge konnten stark reduziert werden, da das automatische Spülen des Sensors mit EC 100 alle zwei bis drei Stunden während 30 Sekunden automatisch erfolgt. Der Messvorgang wird jeweils im Anschluss an den Spülvorgang vorgenommen. Eigentliche Instandhaltungsarbeiten sind nur noch einmal pro Jahr notwendig. Nächste Schritte Zurzeit werden Durchfluss-Sensoren, die in Kombination mit den Trübungssensoren verfeinerte Informationen liefern können, geprüft. Ist die Trübung, also die Umweltbelastung zu hoch, erhebt der Staat entsprechend hohe Abgaben auf Abwässer. Dies ist aber nur dann der Fall, wenn es zu einem Ausfluss kommt. Verbleibt das Abwasser im Becken, so wird auch kein Produktstrom gemessen, und es entstehen keine zusätzlichen Kosten, selbst wenn die Trübung hoch, d.h. das Wasser stark belastet ist. Kundennutzen Steuerung der CSB-Werte anhand von Trübungsmessungen reduziert Produktionsverluste Gezielte Steuerung des Abwasserabflusses spart hohe zusätzliche Gebühren Automatische Sensorreinigung mit EasyClean 100 reduziert Wartungskosten InPro 8100 Die Einfaser-Sensoren InPro 8100 ermöglichen Messungen über einen weiten linearen Bereich auch dort, wo Absorptionssonden längst ihre Sättigungsgrenzen erreicht haben. Die Nutzung des Rückwärtsstreulichts ermöglicht die Konstruktion von Sensoren in einer Form ohne mechanische Aussparungen, so dass die Bildung von Ablagerungen minimiert und der Sensor gründlich gereinigt werden kann. Folglich erfüllen die InPro 8100 Sensoren voll und ganz die an optische Sonden gestellten hohen Erwartungen bezüglich Verschmutzungsunempfindlichkeit und geringem Wartungsaufwand. Die störungsfreie Übertragung wird durch den Einsatz der Lichtwellenleiter-Technologie erreicht, welche ein kompaktes Design ermöglicht. MTP01 Trübungsmessung im Abwasser Abb.1: InPro 8100 mit Rückwärtsstreulicht Technologie. Optische Glasfaser Technische Änderungen vorbehalten. Mettler-Toledo AG 06/07 Gedruckt in der Schweiz. 2 METTLER TOLEDO Milch News

3 Überewachung von Trübstoffen im Spurenbereich Der Trübung auf der Spur mit InPro 8600 Die Qualität zurückgewonnenen Prozesswassers oder auch der Klärgrad von Molke sind wesentliche Merkmale der Betriebsleistung von Rückgewinnungs- und Membranfiltrationsanlagen. Ein neues Inline Trübungsmessgerät kann zur Überwachung dieser Prozessschritte durch Detektion von Trübstoffen im Spurenbereich wertvolle Dienste leisten. Anwendungen und Nutzen von inline Trübungsmessungen Prozess Wasser Die Rückgewinnung und Aufarbeitung von Prozesswasser liefert enormes Potential zur Kosteneinsparung gerade in Betrieben, in denen Wasser quasi als «Nebenprodukt» anfällt. Dies ist beispielsweise der Fall bei der Herstellung von mehr oder weniger festen Produkten (Milch-, Molkepulver, Käse) als Kondensat nach Verdampfungsschritten oder in Form von Permeat bei Membranfiltrationen. Bei den Wasserrückgewinnungsprozessen beurteilt eine inline Trübungsmessung kontinuierlich die Qualität des Wassers hinsichtlich der Konzentration an ungelösten Milchbestandteilen. Diese Information wird verwendet, um zu entscheiden, ob die Aufarbeitungsschritte effizient ablaufen und wie das geklärte Wasser weiterverwendet werden kann oder gemäß Die Basis für die extrem geringe Nachweisgrenze von 0,025 ppm (0,01 FTU) bildet der Streulichtsensorkopf (Abb. 1). Die für die Optik verwendeten Saphirgesetzlicher Vorschriften weiterverwendet werden darf. Ungenügende Klärleistungen werden unmittelbar erkannt und vermeiden Kosten durch unsachgemäßen Einsatz zu stark belasteten Wassers. Aufkonzentrierung von Molkebestandteilen Bei der Aufkonzentrierung von Molkebestandteilen mittels Membranfiltrationen spielt je nach Anwendung die Klarheit des Retentats oder Permeats eine entscheidende Rolle hinsichtlich der Produktivität der Anlage. Beispielsweise sollte bei Ultra- und Nanofiltrations- bzw. Umkehrosmose-Anlagen die Trübung im Anlageneinlauf minimal sein, um ein vorzeitiges Zusetzen oder gar eine Beschädigung der teuren Membranmodule zu vermeiden. Bei der Molkeproteinkonzentrierung deutet eine Trübung im Retentat auf eine unerwünschte Denaturierung der Proteine hin. CIP Lösungen und BSB /CSB Reduzierung Weitere Anwendungen für Trübungsmessungen finden sich bei der Klärung von CIP-Lösungen oder als unterstützende Messung bei der BSB/CSB Reduzierung von Abwässern. Der neue InPro 8600 Trübungssensor Für diese Messaufgaben hat METTLER TOLEDO einen Trübungssensor entwickelt, der durch seine Messpräzision, einfache Handhabung und ein innovatives, Kosten sparendes Sensormanagement via Bluetooth Kommunikation mit einem handelsüblichen PDA überzeugt. Abb. 1: Streulichtsensorkopf mit Saphiroptik Retentat Zufuhr Bei der Membranfiltration strömt die zu filtrierende Flüssigkeit mit hoher Geschwindigkeit über die Membran mit bestimmter Porengröße. Dadurch teilt sich die Flüssigkeit in zwei Ströme auf, das Permeat mit Partikeln, kleiner als die Poren und das Retentat mit den verbliebenen größeren Partikeln. Direktlicht 0 25 Streulicht Permeat Lichtdetektoren LED Lichtquelle METTLER TOLEDO Milch News 3

4 fenster sind selbstverständlich CIP tauglich, und durch ein neues Dichtungsverfahren erübrigt sich ein Austausch von Polymerdichtungen. Als Lichtquelle wird eine langlebige LED verwendet, so dass auch Kosten für häufige Lampenwechsel entfallen. Der Sensor wird einfach auf ein Tuchenhagen Varivent Durchlaufgehäuse montiert und ist binnen Minuten einsatzbereit (Abb. 2). Das von der EHEDG zertifizierte hygienische Design garantiert einen sicheren, kontaminationsfreien Einsatz. Die Elektronik mit der Bluetooth Schnittstelle ist im IP65 Edelstahlgehäuse des Sensors integriert (Abb. 3). Mit einem einzigen PDA können drahtlos mehrere Sensoren verwaltet werden, so dass Kosten für separate Messumformer und deren Installation komplett entfallen. Der PDA wird einzig zur applikationsspezifischen Sensorkonfiguration und für Servicezwecke eingesetzt. Beispielsweise wird so der 4 20 ma Ausgang zur kontinuierlichen Messwertübertragung skaliert, dessen Anschlüsse sich ebenfalls im spritzwassergeschützten Edelstahlgehäuse befinden. Alternativ zur Sensorverwaltung mit dem PDA ist ebenfalls eine Bedienersoftware für Notebooks und PCs erhältlich. Alles in allem ein gelungenes Konzept, welches sicherlich auch Sie überzeugen wird. MTP02 Trübungssensor InPro Vorteil des InPro 8600 auf einen Blick Geringere Investitions- und Installationskosten Ein drahtloses Konfigurationswerkzeug erleichtert die Installation und das Aufstarten des Systems. Die kompakte Bauweise des Sensors benötigt nur wenig Raum für den Einbau. Verbesserte Prozessqualität Saphiroptik und zertifiziertes hygienisches Design garantieren Verlässlichkeit und Prozesssicherheit. Intelligentes Sensor Management Hersteller-Kalibrierung und Sensorerkennung erlauben eine einfache und schnelle Instrumentenkonfigurierung. Abb. 2: Tuchenhagen Varivent Anschluss für Rohrleitungsinstallation. Abb. 3: IP65 Elektronikgehäuse mit Bluetooth Schnittstelle und ma-ausgang. METTLER TOLEDO Milch News 4

5 Ertrags- und Qualitätsverbesserung InPro 3253 SG InPro 6800 Inline ph- und O 2 -Kontrolle und Überwachung bei der Herstellung von Milchsäure Über eine einfache Überwachung der beiden Arbeitsschritte «Vorbereitung der Nährlösung» und «Fermentation» hinaus, ermöglicht die Inline- Messung der ph- und Sauerstoff-Parameter Ertrags- und Qualitätssteigerungen bei der Laktatproduktion. Permeatproduktion Ein französischer Großkonzern, der auf die Herstellung von Käse und anfallende Nebenprodukte, darunter auch Permeat, spezialisiert ist, hat kürzlich zur Optimierung der verschiedenen Arbeitsschritte bei der Fermentierung eine Reihe von Tests gestartet. Die anaerobe Glykolyse (Fermentierung), ohne die kein Käse produziert werden kann und die unter Ausschluss molekularen Sauerstoffs abläuft, wandelt Glukose in einem zweistufigen Prozess in Laktat, das Salz der Milchsäure. Zum Einsatz kamen ein Reinhefestamm sowie verschiedene Milchbestandteile. In einem 100-Liter-Pilotfermenter wurde der Einfluss der kritischen Parameter ph-wert und gelöster Sauerstoff analysiert. Dadurch konnten für jeden Produktionsschritt die Optimalwerte beider Parameter so genau wie möglich bestimmt werden. ph- und O 2 -Messung Eine der wichtigsten Anforderungen für einen optimalen Testablauf war die Sicherstellung einer zuverlässigen, kontinuierlichen inline Messung von ph und O 2, damit während der Fermentierung in Echtzeit reagiert und externe Parameter angepasst werden konnten. Die METTLER TOLEDO Lösung bestand aus: einem ph 2100e-Transmitter einer ph-elektode InPro 3253SG/120/Pt100 einem O e Transmitter und einem O 2 -Sensor InPro 6800/25/80 zur Messung des gelösten Sauerstoffs. Stärken dieses Materials Die ph-elektrode InPro 3253SG ist von ihrer Auslegung her bestens für solche Tests geeignet, da jede Art von Verstopfung oder Kontaminierung vermieden wird. Während der verschiedenen Fermentierphasen muss insbesondere die Kontaminierungsgefahr durch Bakterien vermieden werden. Durch Stabilisierung eines leicht sauren ph-wertes und Sterilisation der Messgeräte aber auch des Ausgangsgemischs kann jeder Art von Bakterienwachstum vorgebeugt werden. Auch der Sauerstoffsensor InPro 6800 von METTLER TOLEDO, der hygienische Konzeption (sterilisierbar, autoklavierbar und Oberflächenglätte N5) mit hoher Messgenauigkeit vereinbart, wird diesen Anforderungen mehr als gerecht. Die Verwendung beider Sensoren garantiert Präzision, Zuverlässigkeit und Sicherheit. Ergebnisse und Ausblick Durch die Ermittlung hochgenauer Sauerstoffwerte konnten die Produktionsleistung und die Qualität des Endproduktes deutlich gesteigert werden. Die Versuche haben gezeigt, dass die besten Ergebnisse bei O 2 -Werten zwischen 0 und 10% erzielt wurden. Die gelöste Sauerstoffmenge konnte exakt bestimmt werden, und zwar in direkter Ver- bindung mit der während der Reaktion zugefügten Substratmenge. Nach dieser Pilotphase konnten die ermittelten Werte für eine sofortige Verwendung bei der Produktion mit großvolumigeren Fermentern (10000 und Liter) extrapoliert werden. Mit den ph- und O 2 - Sensoren von METTLER TOLEDO kann der ordnungsgemäße Ablauf der verschiedenen Fermentierphasen kontrolliert werden. In einem nächsten Arbeitsschritt soll das Hinzufügen von Sauerstoff unter Berücksichtigung der während der Pilotphase ermittelten Grenzwerte automatisiert werden. Durch diesen weiteren Schritt können dann die Fermentierungen umfassend und in Echtzeit überwacht und die Substratmengen, die hinzugefügt werden müssen, noch genauer rationalisiert werden. MTP03 Sauerstoffsensor InPro MTP04 ph-elektrode InPro 3253SG 5 METTLER TOLEDO Milch News

6 ProTalk 2007 Das neue Veranstaltungskonzept von METTLER TOLEDO Unsere Seminare und Veranstaltungen zeichnen sich seit mehr als 10 Jahren durch aktuelle Themen und fundiertes Know-how für die Prozessanalytik aus. Auch im zweiten Halbjahr 2007 bieten wir Ihnen neue Veranstaltungstypen und zeitnahe Themen für Ihre Weiterbildung an. Erfahren Sie mehr über die neuen Veranstaltungen: Intensiv-Workshops ph-messung in Stuttgart Sauerstoff-Messung in Gießen Anwendertrainings ph-messung in Gießen Sauerstoff-Messung in Gießen Theoretische und praktische Vertiefung in der jeweiligen Messtechnik: Wollen Sie mehr über die ständig wachsenden Anforderungen an elektronischen Messungen erfahren und sind an praktischen Übungen zum besseren Umgang mit Messsystemen interessiert? Besuchen Sie die Intensiv-Workshops und vertiefen Sie Ihren Einblick in die Messtechnik. Vor-Ort-Seminare Interessieren sich mehrere Mitarbeiter und Kollegen für ein bestimmtes Schulungsthema? Stellen Sie Ihre Schulung individuell zusammen! Praktische Einblicke in die Messungen live an den Geräten: Wenn für Sie die praktische Anwendung von aktueller Messtechnik interessant ist, dann sind unsere intensiven Anwendertrainings genau das richtige für Sie. Hier können Sie praktisch erfahren, wie Sie gemäß aktuellster Vorschriften Messsysteme installieren, parametrieren, kalibrieren und Fehler selbst beheben können. MTP05 ProTalk Programm Mettler-Toledo GmbH Prozessanalytik Ockerweg 3, D Gießen Tel Fax Mettler-Toledo Ges. m. b. H. Südrandstraße 17, A Wien Tel Fax infoprocess.mtat@mt.com Mettler-Toledo (Schweiz) GmbH Im Langacher, Postfach CH-8606 Greifensee Tel Fax salesola.ch@mt.com Besuchen Sie uns im Internet