Projekt 21056/03

Feuchtwasseraufbereitung im Offsetdruck mittels Membranfiltration und mittels eines innovativen Mess- und Nachdosiersystems (3. Phase)

Projektträger

UNISENSOR Sensorsysteme GmbH
Am Sandfeld 11 c
76149 Karlsruhe
Telefon: 0721/97884-0

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Im Bereich des Rollenoffsetdrucks werden zur Befeuchtung der Druckwalzen sogenannte Feuchtmittel eingesetzt. Ziel des Projekts war durch kontinuierliche Behandlung die Standzeiten zu verlängern und den Einsatz klimarelevanter Hilfschemikalien zu vermindern. Das Projekt umfasst die Teilziele Isopropanolreduktion, Einsparung chemischer Additive - insbesondere von VOCs - sowie ein ökologisch und ökonomisch sinnvolles Reinigungsverfahren für das Feuchtwasser im Offsetdruckprozess. Gleichzeitig sollte eine höhere Verfügbarkeit, d.h. eine gesteigerte Wirtschaftlichkeit des Druckprozesses resultieren.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten Methoden- Durch Entwicklung einer Online-Messtechnik zur kontinuierlichen Bestimmung der Konzentrationen der Bestandteile des Rollenoffset-Feuchtwassers und durch Vergleich mit den vorgegebenen Sollwerten wird in einem Regelkreis die ideale Zusammensetzung des Feuchtwassers durch Nachdosierung der verarmten chemischen Verbindungen und Filterung der Störkomponenten aufrechterhalten.
- Als Messmethode wird die optische Stoffanalyse herangezogen.
- Die sich im Feuchtwasser anreichernden Störkomponenten, welche insbesondere aus dem Papier und den Druckfarben stammen, werden durch geeignete Filtrationsmethoden entfernt. Da sich im Rollenoffsetbereich eine besondere Problemstellung ergibt, wurde in Phase 3 vor allem auf diesen Bereich der Schwerpunkt gelegt. Dazu wurden Feldversuche mit einem zweiten leistungsfähigeren Prototyp durchgeführt.
- Die neuen Methoden wurden in realen Feuchtmittelanlagen gemäß dem neuesten Stand der Technik erprobt.
- In einem ersten Projektschritt wurde zunächst die Gesamtkonzentration des chemischen Additivs auf Sollwert gehalten. Im zweiten Schritt wurden die chemischen Einzelkomponenten online analysiert und die jeweiligen Konzentrationen optimiert und durch Nachdosierung auf dem jeweiligen Optimalwert gehalten.


Ergebnisse und Diskussion

Bezüglich der Mess- und Regelungstechnik konnte in den ersten beiden Phasen des Projektes eindrucksvoll anhand von Wirtschaftlichkeitsrechnungen nachgewiesen werden, dass bereits durch die Messung und Regelung des Gesamtgemisches, d.h. der Gesamtkonzentration erhebliche umweltrelevante und massive wirtschaftliche Vorteile erreicht werden.
Durch die zurückliegenden Untersuchungen konnte eine prinzipielle Machbarkeit der Messung von Ein-zelkomponenten im Labormaßstab bereits gezeigt werden. Die exakte Messung und Regelung vor allem im realen Druckprozess setzt allerdings voraus, dass nicht reaktive, sondern sogenannte inerte Bestandteile im verwendeten Additiv eingesetzt werden, was bisher nicht immer zutraf. Dies ist jedoch für einen stabilen Druckprozess ohnehin eine notwendige Voraussetzung. Die Tatsache, dass im Rahmen dieses Projektes diese Effekte aufgedeckt werden konnten, kann als weiterer Erfolg verbucht werden.

Die wichtigsten praxisrelevanten Ergebnisse der Feldversuche aus Phase III mit der zweiten leistungsfähigeren Membranfiltrationsanlage für den Rollenoffset können wie folgt zusammengefasst werden:

Insgesamt wurden mehr als 200m3 Feuchtmittel in der Druckerei Color-Druck in Pforzheim erfolgreich filtriert.
Der Einsatz einer kontinuierlich arbeitenden Vorreinigungsstufe (Hydrozyklon, selbstreinigende Automatikfilter) hat sich aufgrund der geringen Reinigungseffizienz und des technischen Aufwands als nicht sinnvoll erwiesen.
Bei den Feldversuchen kristallisierte sich eine Filtrationsmembran als am zuverlässigsten heraus. Der durchschnittliche Durchfluss mit dieser Membran lag bei einem transmembranen Druck von 2,5 bar und einer Membranfläche von 2,8m2 im Bereich von 150 l/h.
Der Flux konnte während der gesamten Feldversuche stabil im Bereich der oben genannten Durchflusswerte gehalten werden. Typischerweise genügte eine Reinigung mit saurem Reiniger in monatlichen Intervallen.
Der Einsatz der Membranfiltration und die Regelung der Gesamtkonzentration des Additivs führt insgesamt zu einer Erhöhung der Produktivität, was zu ökologischen Vorteilen führt und bei einer 64-Seiten Rollendrucklinie einer jährlichen Kosteneinsparung von etwa 250.000 Euro entspricht.
Unter Berücksichtigung des Anschaffungspreises und der jährlichen Betriebskosten des Mess- und Regelsystems und der Filtrationsanlage von etwa 115.000 Euro amortisiert sich die Gesamtanlage bereits nach ungefähr 6 Monaten.
Die eingesetzte große Technikumsanlage ist unter gewissen Betriebsbedingungen der 64-Seiten Druckmaschine bei Color-Druck noch etwas zu klein dimensioniert. Die Kapazität dieser Anlage lässt sich jedoch ohne großen Aufwand um etwa 30-40% erhöhen.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Es bestehen rege Kontakte zu Druckereien und Feuchtmittelherstellern, um die positiven Projektergebnisse zu kommunizieren. Eine Präsentation zu den bisherigen Ergebnissen der im Rahmen dieses Pro-jektes entwickelten Prozessanalysesystems wurde erstellt. Zwischenberichte sowie Abschlußberichte zu den Projektphasen I und II liegen ebenfalls vor.

Das deutsche Patent zur Messung und Regelung der Einzelkomponenten des Additivs im Feuchtwasser wurde inzwischen erteilt. Die auf der Priorität dieser Deutschen Patentanmeldung beruhenden Europäischen- und US-Patentanmeldungen, welche mit ca. 1 Jahr Verzögerung angemeldet wurden befinden sich noch in den Prüfungsverfahren.

Eine weitere Deutsche Patentanmeldung mit Verfahrensschwerpunkten im apparativen Bereich wurde ebenfalls in den USA sowie in Europa hinterlegt. Alle drei Patentbegehren befinden sich noch in den Prü-fungsverfahren.


Fazit

Die bestehende Zusammenarbeit mit Druckereien und auch mit einem führenden Zusatzmittelhersteller zeigt, dass in diesen Unternehmen die Chancen, die mit der Filtration verbunden sind, zunehmend wahrgenommen werden und großes Interesse finden.
Abschließend lässt sich sagen, dass der Einsatz der Membranfiltration in Verbindung mit einer prozessspezifischen Messung- und Dosierung an Additiven sehr viele Vorteile für Ökologie und Ökonomie in der Drucktechnik bietet.

Es hat sich auch gezeigt, dass die Rollenoffset-Technikumsanlage im Prototypmaßstab unter gewissen Betriebsbedingungen der Druckmaschine, nicht ausreichend gegen den Schmutzeintrag ankommt. Dies ist vor allem bei sehr hohen Druckgeschwindigkeiten und bei niedriger Qualität des verwendeten Papiers der Fall. Außerdem ist noch zu bedenken, dass die Untersuchungen an einer 64-Seiten Druckmaschine durchgeführt wurden, es aber auch noch größere Druckmaschinen bis zu 96-Seiten in Zukunft geben wird. Bei größeren Druckmaschinen ist mit einem vermehrten Eintrag von Feststoffverunreinigungen in das Feuchtwasser zu rechnen, deshalb sollte die Reinigungskapazität einer Filtrationsanlage hier größer sein.

Auf Grund dessen ist es sinnvoll die Reinigungsleistung einer verkaufs- und marktfähigen Filteranlage noch etwas zu erhöhen. Dies ist durch eine Erhöhung der Membranfläche und/oder einer Erhöhung des Betriebsdrucks zu erreichen. Als ein erster Schritt könnte mit dem doppelten Betriebsdruck gearbeitet werden, so dass mit ca. 20 bis 25% mehr Filtrationsleistung erzielt werden kann. Ferner ist also noch Spielraum für die Erhöhung der Filtrationsleistung durch die Optimierung der Parameter des Filtrations-prozesses (z. B. höhere Temperatur) vorhanden. Hierdurch dürfte sich die im Rahmen dieses Projektes untersuchte Technik zur Feuchtwasserfiltration auch auf zukünftige Anforderungen anpassen lassen.

Unter Laborbedingungen ist es gelungen die Messung und Regelung von Einzelkomponenten des Additivs nachzuweisen. Unter diesen Bedingungen ist es ebenso gelungen einzelne Komponenten zu kalibrieren und zu messen. Das ursprüngliche Ziel Einzelkomponenten des Additivs im Feuchtwasser unter Prozessbedingungen messen und regeln zu können wurde in den Projektphasen I bis III leider noch nicht erreicht. Es ist jedoch geplant umgehend nach Projektabschluss durch Wechsel in einen weiteren bisher noch nicht genutzten Auswertebereich die erforderlich niedrigen Konzentrationen zu messen und zu regeln. Abgesehen davon ist die bereits erfolgreich realisierte Messung und Regelung der Gesamtkonzent-ration des Additivs mit so großen wirtschaftlichen Vorteilen verknüpft, dass das Vorhaben als ein großer Erfolg bezeichnet werden kann.