Technische Universität Dresden
Kanzler
Mommsenstr. 11 // Rektoratsgebäude
01069 Dresden
Die Reinigung von Anlagen ist ein essenzieller Prozessschritt in der milchverarbeitenden Lebensmittelindustrie zur Gewährleistung der Konsumentensicherheit und Produktqualität. Bei Produktwechseln sowie zwischen unterschiedlichen Chargen eines Produkts erfolgen ressourcenaufwendige, meist automatisierte Nassreinigungsprozesse (Cleaning-in-Place, CIP). Wirtschaftliche Trends der Produktindividualisierung führen insbesondere bei kleinen und mittleren Unternehmen (KMU) zu sinkenden Chargengrößen und somit zu häufigen Produktwechseln und Reinigungsprozessen. Einerseits sind die Unternehmen bestrebt, wertvolle Ressourcen wie Wasser, Chemie und Energie zu schonen. Andererseits birgt eine unzureichende Reinigung das Risiko der Kontamination einer Charge mit Rückständen. Um die Lebensmittelsicherheit zu gewährleisten, erfolgt daher vielfach eine Überdimensionierung der Reinigungsprozesse und damit verbunden eine Verschwendung wertvoller Ressourcen. Eine Anpassung der Reinigungsprozesse an die produktspezifischen Anforderungen birgt das Potenzial, diese Diskrepanz aufzulösen. Zusammenhänge zwischen einzelnen chemisch-physikalischen Eigenschaften der Schmutzschicht und dem daraus resultierenden Reinigungsverhalten sind vielfach bereits bekannt, den Lebensmittelproduzenten und Maschinenbauern fehlen jedoch konkrete Charakterisierungsmethoden und Anweisungen, um die reinigungsrelevanten Schmutzeigenschaften einzuschätzen und Reinigungsprozesse ressourcenschonend anzupassen.
Ziel des Projekts ist die Bereitstellung eines industriell anwendbaren, standardisierten Methodenkatalogs für die Analyse der reinigungsrelevanten Schmutzeigenschaften. Der Methodenkatalog wird auf Grundlage von Milchprodukten und veganen Produktalternativen entwickelt. Er wird auf Basis einer Methodensammlung aus eigenen Erfahrungen, wissenschaftlichen Studien und Diskussionen mit der Lebensmittelindustrie anhand von ausgewählten Produkten im Labormaßstab, sowie im Technikumsmaßstab entwickelt und der Industrie in einer übersichtlichen Form zur Verfügung gestellt. Die zielgerichtete Nutzung der Ergebnisse aus dem Methodenkatalog für die Parametrierung und Optimierung ressourceneffizienter und sicherer Reinigungsprozesse in der Lebensmittelproduktion und Übertragung auf weitere Branchen der Lebensmittelindustrie stellt einen weiteren Ausblick dar.
Die Erstellung des Methodenkatalogs gliederte sich in drei grundlegende Phasen. In Phase 1 erfolgte die Erarbeitung einer Rohfassung des Methodenkatalogs. Industrierelevante Verschmutzungen auf Milch- und Pflanzenbasis wurden ausgewählt und ein Probenportfolio etabliert, welches sich durch eine möglichst große Variation reinigungsrelevanter Eigenschaften auszeichnete. Anhand dieser Variabilität ließen sich die Charakterisierungsmethoden hinsichtlich der Potenziale und Einschränkungen bewerten. Um reale Prozessbedingungen bei der industriellen Reinigung zu berücksichtigen, wurde eine Feuchtevariation der Schmutzschichten umgesetzt. Einen weiteren Arbeitsschritt dieser Projektphase bildete die Etablierung der Evaluationskriterien der Charakterisierungsmethoden. Es wurden Potenziale, Restriktionen und industrielle Umsetzbarkeit berücksichtigt. Im Projekt entwickelte Hilfswerkzeuge vereinfachen die Nutzung des Methodenkatalogs.
In der Phase 2 wurde der Methodenkatalog verifiziert. Es erfolgten umfangreiche Reinigungsuntersuchungen des Schmutzportfolios in Kombination mit variierten Reinigungsflüssigkeiten. Die Ergebnisse der Reinigungsuntersuchungen bildeten die Grundlage für Identifikationen weiterer Wechselwirkungen zwischen den Schmutzeigenschaften und dem Reinigungsverhalten. Diese Zusammenhänge trugen maßgeblich zur Einschätzung der Methodenpotenziale bei. Zudem wurden die Ergebnisse für weiterführende statistische Auswertungen der erhobenen Datenbasis genutzt. Einen wesentlichen Bestandteil dieser Projektphase umfasste die Entwicklung, Etablierung und Anwendung der Methoden am Schmutzportfolio. Die Methoden wurden tiefgehend anhand der in Phase 1 erarbeiteten Kriterien zu Potenzialen, Restriktionen und industrieller Anwendbarkeit evaluiert. Es wurden Methodensteckbriefe für die verschiedenen Charakterisierungsmethoden erarbeitet.
In Phase 3 wurde der Methodenkatalog validiert. Anhand der Ergebnisse aus Phase 2 wurden Charakterisierungsmethoden zur Anwendung für eine weitere industrierelevante Lebensmittelverschmutzung ausgewählt und umgesetzt. Das Reinigungsverhalten wurde anhand dieser Ergebnisse abgeschätzt und mit Reinigungsexperimenten verglichen. Es erfolgte weiterhin die Erweiterung der statistischen Modelle zur Reinigungsabschätzung auf Grundlage von Schmutzcharakterisierungen. Auf Grundlage dieser Ergebnisse lassen sich die zusammengefassten Methoden gezielt auswählen und auf weitere Produkte und industrielle Problemstellungen anwenden.
Im Projekt wurde ein industriell anwendbarer Methodenkatalog zur Schmutzcharakterisierung entwickelt. Dieser umfasst standardisiert dokumentierte Charakterisierungsmethoden reinigungsrelevanter Eigenschaften lebensmitteltypischer Verschmutzungen. Die Charakterisierungsmethoden wurden hinsichtlich ihrer Potenziale, Limitierungen und industriellen Anwendbarkeit analysiert und in Methodensteckbriefen aufbereitet. Zur zielgerichteten Methodenauswahl wurden im Projekt Hilfswerkzeuge wie das holistische Prozessschema entwickelt. Die Methoden wurden an einem Schmutzportfolio bestehend aus milch- und pflanzenbasierten Verschmutzungen in Kombination mit industrietypischen Reinigungsflüssigkeiten angewandt und ihr Potenzial zur Aufklärung reinigungsrelevanter Wechselwirkungen validiert.
Die im Projekt fokussierten Methoden sind geeignet zur Charakterisierung von Eigenschaften der Schmutzquellung, Löslichkeit und Flüssigkeitsbindung sowie der rheologischen und mechanischen Eigenschaften der Schmutz-Flüssigkeits-Kombinationen. Es wurden Methoden betrachtet, welche den Forschungseinrichtungen aus eigenen Arbeiten, der internationalen wissenschaftlichen Literatur und Diskussionen mit projektbegleitenden Unternehmen der Lebensmittelindustrie bekannt waren. Darüber hinaus wurden im Projekt neuartige Methoden Schmutzcharakterisierung entwickelt. Die zeitkontinuierliche Kontaktwinkelmessung bietet Potenzial bei der Analyse von Effekten der Flüssigkeitsaufnahme. Der Tack-Test erlaubt potenziell die Betrachtung von Adhäsionseigenschaften fest anhaftender Verschmutzungen.
Die umfangreichen Arbeiten zur Schmutzcharakterisierung erlaubten neben einer tiefgehenden Methodenbewertung auch die Erarbeitung eines wertvollen Datensatzes mit Informationen zu den Eigenschaften milch- und pflanzenbasierter Verschmutzungen. Die Analyse dieser Daten erlaubte die Identifikation weiterer Wechselwirkungen der Eigenschaften der betrachteten Schmutz-Reinigungsflüssigkeits-Kombinationen zum Reinigungsverhalten. Weiterhin konnte der Datensatz mit bereits vorhandenen Daten zu Schmutzeigenschaften vorwiegend kohlenhydratbasierter Verdickungsmittel kombiniert und mithilfe eines Entscheidungsbaums analysiert werden.
Damit entsteht im Ergebnis des Projekts nicht nur ein umfangreicher Werkzeugkoffer zur selbstständigen Schmutzcharakterisierung in der Lebensmittelindustrie, sondern es erweitert die Wissensbasis zu reinigungsrelevanten Wechselwirkungen milch- und pflanzenbasierter Verschmutzungen.
In drei treffen mit dem projektbegleitenden Ausschuss und bei zwei Firmenbesuchen konnten die Projektarbeiten und Ergebnisse direkt mit den Nutzenden diskutiert und verbreitet werden. Darüber hinaus wurden die Ergebnisse während des Projekts einer breiten Community aus Wissenschaft und Industrie durch zahlreiche Publikationen, Posterbeiträge und Vorträge zugänglich gemacht.
Bspw.:
Drechsel et al. 2025. Rheological analysis of swelling food soils for optimized cleaning in plant-based food production. Applied Rheology 35.
Kricke et al. 2025. Analysis of complex interdependencies between soil-specific properties and cleaning behavior in the food industry by using a decision tree. Heat and Mass Transfer. 61, 9, 81.
Hovorka et al. 2024. Bewertung von Methoden zur Analyse reinigungsrelevanter Schmutzeigenschaften in der Lebensmittelproduktion. Poster. GDL Kongress Lebensmitteltechnologie der Gesellschaft Deutscher Lebensmitteltechnologen, Lemgo 10.-12. Okt. 2024
Schmidt et al. S., 2024. Turbiscan: eine Methode zur Bestimmung des Quell- und Löslichkeitsverhaltens von lebensmittelbasierten Verschmutzungen. Poster. Kongress Lebensmitteltechnologie der Gesellschaft Deutscher Lebensmitteltechnologen, Lemgo 10.-12. Okt. 2024
Das Potenzial der Anpassung von Reinigungsprozessen auf Basis von Kenntnissen über die Wechselwirkungen der reinigungsrelevanten Schmutzeigenschaften ist vielversprechend. In der Lebensmittelindustrie bestehen jedoch noch Hemmnisse bei Anwendung dieses Wissens im laufenden Prozess. Der Methodenkatalog stellt ein Mittel dar, diese Hemmnisse zu reduzieren und die Anwendung von Schmutzcharakterisierungen praktikabel zu gestalten. Darüber hinaus reichten die Forschungseinrichtungen einen Antrag auf Förderung eines Forschungsvorhabens im Rahmen der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) ein. In diesem Forschungsvorhaben sollen verschiedene Optimierungswege zur Anpassung von Reinigungsprozessen in der Milchindustrie validiert werden. Neben der direkten experimentellen Reinigungsbetrachtung sowie Reinigungssimulationen stellt die Reinigungsanpassung aufgrund von Kenntnissen über die Schmutzeigenschaften einen solchen Optimierungsweg dar. Damit fließen die im Rahmen dieses Projekts gewonnenen Erkenntnisse nahtlos in weiter-führende Forschung ein und leisten somit einen wesentlichen Beitrag zur Entwicklung praktikabler Methoden zur Reinigungsanpassung und damit Ressourcenschonung.