15.04.2010: Nachhaltigkeit durch Hygienic Design

Kosten sparen und die Umwelt schützen

„Hygienic Design ist teuer und bringt nicht viel. Unsere jetzigen Anlagen laufen doch auch ohne Probleme.“ diese häufig angeführten Argumente lassen außer acht, dass sich sowohl die Betriebsbedingungen der Lebensmittelhersteller als auch die Anforderungen an die Lebensmittel geändert haben. Neben der Prozesssicherheit wird heute viel über Energiesparen und Nachhaltigkeit diskutiert. Hygienic Design kann hierzu einen erheblichen Beitrag leisten, wie Reinigungsversuche an Anlagenbauteilen zeigten.

Der Verbraucherschutz ist in allen EU-Ländern einheitlich gesetzlich geregelt. Wird in der Gesetzgebung davon gesprochen, dass die Gesundheit des Konsumenten nicht geschädigt werden darf, so ist das für den Verbraucher eine Selbstverständlichkeit. Er erwartet darüber hinaus, dass die Lebensmittel seine Gesundheit fördern. Zudem verlangt der Verbraucher nach immer perfekterem Aussehen und immer besserer Zusammensetzung der Lebensmittel. So darf sich kein Mohnkörnchen auf einer Kürbiskernsemmel finden und umgekehrt. Haltbarkeit und Convenience sind weitere Verbrauchererwartungen. Damit Lebensmittel diesen Anforderungen entsprechen, muss vor allem die Hygiene im Produktionsprozess einwandfrei sein. Dabei müssen sowohl primäre Kontaminationen, z.B. durch die verwendeten Rohstoffe, als auch sekundäre Kontaminationen während der Herstellung und Verpackung so gering wie möglich gehalten oder ganz vermieden werden. Kontaminationen können dazu führen, dass pathogene Mikroorganismen oder Toxine in den Lebensmitteln zu finden sind oder das Lebensmittel den Qualitätsanforderungen nicht mehr entspricht. Ebenso sollte der steigenden Zahl von Allergikern Aufmerksamkeit gewidmet werden.

Gefahren für den Verbraucher vermeiden
Drastisch sind vor allem Kreuzkontaminationen durch Allergene, die auf eine unzureichende Reinigung der Produktionsanlagen zurückzuführen sind. Die Auswirkungen eines solchen Carry-overs von, zum Beispiel Spuren von Nüssen in nussfreie Produkte, sind für Allergiker häufig lebensbedrohlich. Die konsequente Umsetzung einer hygienischen Produktion von Lebensmitteln stellt nicht nur den Schutz des Verbrauchers vor gesundheitlichen Gefahren durch den Genuss des Nahrungsmittels sicher, sondern hilft auch Rückrufaktionen oder Lebensmittelskandalen vorzubeugen.

Der mögliche finanzielle Schaden kann Lebensmittelhersteller schnell an ihre finanziellen Grenzen bringen. Um eine gesundheitliche Bedrohung der Konsumenten auszuschließen ist eine gründliche Reinigung der Produktionsanlagen wichtig. Vor allem aseptisch arbeitende Maschinen müssen gewissenhaft gereinigt werden, um die anschließende Sterilisation der Anlage möglichst effektiv gestalten zu können. Je weniger Keime sich vor der Desinfektion in der Anlage befinden, desto wirkungsvoller ist diese. Solche keimarmen Apparate lassen sich aber nur durch konstruktive Maßnahmen schaffen. Mangelhafte Reinigungsverfahren und deren Durchführung sind heute Auslöser der meisten Beanstandungen.

Reinigung ist ein kritischer Kontrollpunkt
Die Produktionsanlagenreinigung ist essenziell für die Lebensmittelsicherheit und oft ein kritischer Kontrollpunkt innerhalb der Produktion von Getränken oder Lebensmitteln. Sie kann durchaus bis zu 70 Prozent des gesamten Wasserverbrauchs und der Abwassermenge eines Werkes ausmachen. Deshalb ist die Reinigung nicht nur aus Sicherheitsgründen ein bedeutender Prozess, sie birgt auch ein hohes finanzielles Einsparpotenzial, nicht nur hinsichtlich der Wasserkosten. Eine gründliche Reinigung bedeutet für den Hersteller auch Ausfallzeit in der Produktion sowie Kosten für Reinigungsmittel und Energie. Deshalb sollte die Reinigungszeit so kurz wie möglich gehalten werden, um möglichst geringe Ausfallzeiten und Kosten zu verursachen. Zudem wird die Umwelt durch geringeren Chemikalieneinsatz und reduzierte Abwassermengen weniger stark belastet. Bei der finanziellen Betrachtung muss natürlich stets die Produktsicherheit gewährleistet sein. Somit sollte die Reinigung so kurz wie möglich, aber effektiv und gründlich durchgeführt werden, um der Produktsicherheit und den Qualitätsansprüchen der Konsumenten gerecht zu werden. Eine Analyse des möglichen Einsparpotenzials für die Lebensmittelindustrie bei Verwendung von neuesten, hygienegerecht konstruierten Anlagenbauteilen gegenüber herkömmlichen, vielfach verwendeten Bauteilen mit Hygienerisiken wurde im Rahmen einer Diplomarbeit vorgenommen.

Verschiedene Bauteile im Vergleich
Durch vergleichende Reinigungsversuche wurden Ventile, Einbaugehäuse von Sensoren und Pumpen miteinander verglichen, um dem Nahrungsmittelproduzenten eine Hilfestellung bei der Auswahl der Bauteile bei einer Neuanschaffung bzw. beim Austausch von Anlagenkomponenten geben zu können. Bei diesen Untersuchungen wurden die Reinigungs- und Verschmutzungsparameter für die zu vergleichenden Bauteile konstant gehalten, um nur den Einfluss der Konstruktion auf die Reinigung zu ermitteln. Dabei werden der zeitliche Reinigungsverlauf und die Gesamtzeit ermittelt in der ein Bauteil gereinigt werden kann und als sauber und hygienisch einwandfrei gilt. In der Lebensmittelindustrie werden zum Teil immer noch sinnvolle Investitionen in Hygienic Design konforme Anlagenbauteile gescheut, da sie aufgrund hoher Anschaffungskosten vermeintlich teurer erscheinen. Dabei werden jedoch oftmals die gesamten Lebenszykluskosten (Life Cycle Costs) außer Acht gelassen.

Diese schließen Betriebs-, Wartungs- und die Entsorgungskosten mit ein. Daneben sind derartige Bauteile eine Art Versicherung, dass der Prozess sicher ablaufen kann und es zu keiner teuren Lebensmittelrückrufaktion kommt. Eine solche wurde aber hier nicht in die Betrachtung einbezogen. Eine reinigungsgerechte Armatur mit höheren Anschaffungskosten aber günstigeren Reinigungskosten kann eine herkömmlich konstruierte Armatur mit hygienischen Schwächen in den Gesamtkosten im Laufe ihrer Lebensdauer schnell unterbieten. Einsparpotenziale bei laufenden Kosten durch Einsatz von hygienegerechten Bauteilen liegen in der verkürzten Reinigungszeit, dem verkürzten Produktionsstillstand, den geringeren Chemikalien- und Additivkosten, dem verringerten Strom-, Dampf- und Brennstoffbedarf sowie niedrigeren Wasser- und Abwasserkosten. Zur Bestimmung der leichten Reinigungsfähigkeit von Armaturen wurde eine Testmethode entwickelt, die die Verweilzeit des Schmutzes in den Komponenten ermittelt. Läuft die Reinigung optimal ab, wird der Schmutz innerhalb kürzester Zeit ausgespült. Alle inneren Oberflächen, die mit der Verschmutzung belegt waren, konnten also gut umspült und vom Schmutz befreit werden. Dafür sind die Strömungsverhältnisse in den Armaturen entscheidend.

Definierte Verschmutzung eingesetzt
Als Verschmutzung wurde in diesem Fall eine hochkonzentrierte Zuckerlösung verwendet. Diese viskose Lösung wurde im warmen Zustand in die Komponenten gefüllt und anschließend wieder ausgeleert. Der verbleibende Film auf der Oberfläche wurde angetrocknet, so dass ein harter Belag entstand. Die Ablösung des Zuckerbelags erfolgt mit warmem Wasser. Diesem Wasser wird ein oxidatives Reinigungsmittel hinzugefügt, das über die Firma Thonhauser Ges.m.b.H. in Perchtoldsdorf bei Wien bezogen werden kann. Die hier angewendete Persulfat-Technologie basiert auf einer Umsetzung des Mangans in Anwesenheit von organischem Material. Die Folge ist eine farbliche Veränderung, die sehr einfach im ausströmenden Reinigungsmedium detektiert werden kann. Damit ist eine Inline-Messung möglich und der Reinigungsverlauf kann im Detail analysiert werden. Alle weiteren Parameter der Reinigung wie Temperatur, Durchfluss und Durchmesser der Bauteile wurden konstant gehalten, um die Ergebnisse vergleichbar zu machen. Untersucht wurden unter anderem nicht durchströmte T-Stücke mit unterschiedlichen Längen senkrecht zur Hauptleitung. Die Ergebnisse zeigten wie erwartet, dass die langen, toten Enden längere Zeit benötigten um gereinigt zu werden als die kurzen. Interessant ist in diesem Zusammenhang, dass die Zeit sich vervierfacht, wenn ein langes T-Stück mit vierfachem Leitungsdurchmesser eingesetzt wird. Werden zehn Minuten benötigt, um ein kurzes T-Stück vollständig zu reinigen, so sind es bei einem T-Stück mit vierfachem Durchmesser bereits vierzig Minuten. Der erforderliche Energiebedarf muss also dreißig zusätzliche Reinigungsminuten zur Verfügung gestellt werden. Durch eine einfache konstruktive Änderung kann dieser Aufwand eingespart werden.

Schwächstes Glied bestimmt Reinigungsaufwand
Neben einfachen T-Stücken wurden auch einzelne Armaturen untersucht. Für die industrielle Anwendung war aber interessant, wie sich die Kombination der Einzelbauteile verhält, da sich die Reinigung immer nach dem schwächsten Glied der Kette richtet. Daher wurde im Versuch ermittelt, ob die Verhältnisse an nicht durchströmten T-Stücken auch auf Rohrleitungsabschnitte übertragbar sind. Untersucht wurden zwei in der Funktion vergleichbare Rohrleitungsabschnitte mit Sensoren und Abzweigungen.

Die eine Rohrleitung wurde herkömmlich mit T-Stücken und den dazu gehörigen Adaptionen von Sensoren und Ventilen aufgebaut (Gruppe BD). Die andere Rohrleitung wurde mit reinigungsgerechten Komponenten ausgestattet (Gruppe HD). Auf tote Enden wurde soweit es geht verzichtet. Die Sensoren wurden frontbündig im Kugelgehäuse oder als Inline-Ausführung eingebaut. An der Abzweigung wurde ein Umschaltventil ohne Totraum eingebaut. Die Ausspülergebnisse zeigten wieder ein eindeutiges Ergebnis. Der Rohrleitungsabschnitt mit den nicht durchspülten T-Stücken benötigt die vierfache Reinigungszeit.

Die Verwendung von mehreren toten Bereichen summiert die Reinigungszeit nicht auf, die Reinigung richtet sich vielmehr nach dem am schwierigsten zu reinigenden Abschnitt. Daher ist es zwingend erforderlich, konsequent reinigungsfähige Komponenten einzubauen, damit die Ressourceneinsparung überhaupt zum Tragen kommt. Solange eine Mischbauweise vorhanden ist, kommt es demnach zu keiner nennenswerten Ersparnis.

Weitere Tests mit verlorener Reinigung
Aus den durchgeführten Reinigungsversuchen resultierten sowohl zeitliche Verläufe als auch absolute Reinigungszeiten bis zur vollständigen Reinigung der Bauteile. Die Zeit ist hinsichtlich der Reinigungskosten der entscheidende Faktor, durch den bei verloren gefahrener CIP-Reinigung die anderen Kostenstellen berechnet werden können. Die Kalkulation des Einsparpotenzials ist bei verloren gefahrener CIP-Reinigung deutlich einfacher als bei einer Stapelreinigung. Eine doppelte Reinigungszeit bedeutet doppelt so hohe Betriebskosten für Wasser, Energie, Chemikalien und die Abwasserentsorgung.

Ebenso ist die Ausfallzeit, in der sonst produziert werden könnte, doppelt so hoch. Unter verloren durchgeführter CIP-Reinigung betrachtet, ergibt sich aus den Messwerten eine Einsparung von ca. 76 Prozent, wenn anstelle der herkömmlichen Lösung eine Hygienic Design konforme Variante verwendet wird. Beim Aufbau neuer Anlagen schrecken zunächst die sehr hohen Investitionskosten ab. Durch die enormen Einsparpotenziale bei der Reinigung wird die Auswahl HD-gerechter Anlagen jedoch wieder lukrativ. So amortisiert sich ein Abschnitt, der vergleichbar mit dem untersuchten Rohrleitungsbereich ist, innerhalb einer Woche. Grundlage für diese Aussage sind die Reinigungskosten einer mittelständischen Molkerei. Mit steigenden Energie- und Wasserkosten führt diese Betrachtung in noch kürzerer Zeit zur Amortisation. Aus diesen Ergebnissen wird deutlich, dass das Einsparpotenzial beim Reinigungsaufwand bei Verwendung reinigungsfähiger Rohrleitungskomponenten mit 76 Prozent äußerst hoch ist. Die Versuche belegten eindeutig, dass die konsequente Umsetzung der Hygienic Design-Anforderungen auch mit Blick auf die Nachhaltigkeitsdebatte einen entscheidenden Vorteil mit sich bringt. JH/ct

Die komplette Diplomarbeit als Download finden Sie hier...