Kostenoptimierung im Milchpulverprozess

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18.02.2011 Die Materialfeuchte spielt sowohl in der pharmazeutischen als auch in der Nahrungsmittelindustrie eine sehr große Rolle, da sie einen direkten Einfluss auf die Produktqualität und die Prozessierung eines Zwischen- oder Endprodukts hat. Vor allem in der Nahrungsmittelindustrie, wo sehr viel unterschiedliche Schüttgüter als Zwischen- oder Endprodukt auftreten, bestimmt die Materialfeuchte die Verarbeitbarkeit und Lagerfähigkeit und ist oft entscheidend für die Qualität.

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Entscheider-Facts Für Anwender

  • Die Online-Kontrolle von Parametern wie dem Wassergehalt mithilfe der PMD500-Geräteserie ermöglicht eine zuverlässige und zerstörungsfreie Prozessüberwachung.
  • Sie ist somit eine sinnvolle Lösung zur Optimierung des Rohstoffeinsatzes und zur Sicherstellung der Erreichung von Inhaltsstoffkonzentrationen bis an vorgegebene Grenzwerte, die bisher – aufgrund der reaktionsträgen Offline-Analytik – in deutlich größerem Sicherheitsabstand eingestellt wurden als es mit der Kontrolle dieser Zielwerte direkt im Prozess möglich ist.
  • Eine Optimierung des Feuchtegehalts um nur 0,1 % kann bereits eine deutliche Gewinnerhöhung zur Folge haben.

Sind bestimmte Rohstoffe zu feucht, können sie kleben und Klumpen bilden. Dies bereitet sowohl bei der Lagerung als auch beim Transport erhebliche Schwierigkeiten. Sind sie andererseits zu trocken, lassen sie sich nicht gut genug mischen oder mechanisch weiterverarbeiten. Aber auch der Preis von Produkten oder Rohstoffen berechnet sich oftmals über ihr Gewicht und ist auf diese Weise wieder abhängig vom Feuchtegehalt der Materialien.

Weitere Parameter, die eine wichtige Rolle in der Milch verarbeitenden Industrie spielen, sind der Protein-, der Fett- und auch der Laktosegehalt. Der Fettgehalt ist zum Beispiel sehr wichtig, wenn es um die Verarbeitung von Milchpulver geht, da ein sehr hoher Fettgehalt zum Verklumpen des Milchpulvers und somit zum Verstopfen von Produktionsanlagen führen kann. Darüber hinaus ist es ganz wichtig, die vom Kunden geforderten Inhaltsstoffkonzentrationen einzuhalten, um eine gleichbleibende Produktqualität erzielen zu können. Aus dem gleichen Grund wird auch der Proteingehalt in der Milchpulverproduktion bestimmt. Je nach Rezeptur ist ein spezieller Gehalt gewünscht, sodass dieser bereits in der Ausgangsmilch für den Sprühtrocknungsprozess durch Hinzufügen von Proteinpulver eingestellt und nach dem Sprühtrocknen kontrolliert werden muss.

Prozesskontrolle mit klassischenMethoden nicht immer das Optimum

Unabhängig davon, ob nun die Materialfeuchte als einzelner Parameter oder zusammen mit dem Protein- und dem Fettgehalt überwacht und kontrolliert werden soll, werden meist Messtechniken verwendet, die lediglich eine stichprobenartige Überwachung der anvisierten Inhaltsstoffkonzentrationen ermöglichen. Am Beispiel der Materialfeuchtemessung lässt sich problemlos nachvollziehen, warum die bisherigen Methoden nicht immer die optimale Lösung für die Kontrolle und die Steuerung eines Prozesses sind und sich aus diesem Grund nur bedingt zur Optimierung des Rohstoffeinsatzes eignen.

Das klassische Verfahren zur Bestimmung der Materialfeuchte ist die Trockenschrankmethode, die allerdings Analysezeiten von bis zu 24h mit sich zieht. Hier wird eine Probe getrocknet und der Gewichtsverlust durch Wägung ermittelt. Schneller als der Trockenschrank arbeiten Trocknungswaagen, die per Heizstrahler oder Mikrowellenerwärmung die Probe direkt auf der Waage trocknen und dabei die Gewichtsabnahme detektieren. Weitere klassische Methoden sind die sogenannten analytischen Methoden wie die Karl-Fischer-Titration, die Calciumcarbit-Methode oder die Phosphorpentoxid-Methode, die apparativ jedoch deutlich aufwendiger sind als die thermogravimetrischen Methoden. Diese Verfahren sind wasserselektiv, d.h. sie detektieren ausschließlich den Wassergehalt und nicht – wie bei den thermogravimetrischen Methoden – die Gesamtfeuchte. Die genannten Methoden haben entscheidende Nachteile: Sie arbeiten mit relativ geringen Probenmengen, sind also nicht ausreichend repräsentativ, zerstören oder verändern die zu analysierende Probe und benötigen Analysezeiten von mehreren Minuten und mehr. Daher eignen sie sich nur für Stichprobenmessungen. Ein lückenloses Monitoring des gesamten Prozesses mit vollständiger Dokumentation oder gar eine direkte vollautomatische Prozessregelung ist auf dieser Basis nicht möglich. Somit können in einer Produktionsphase mit hohem Ausstoß bereits mehrere Tonnen eines Produkts mit falschem Materialfeuchtegehalt produziert worden sein, bevor eine Reaktion darauf im Prozess passieren kann.

Von der Milch zum Milchpulver

In der Milchpulverproduktion kommt es an vielen Stellen darauf an, wichtige Informationen zeitnah und zuverlässig zu erhalten. So hat die Zusammensetzung der flüssigen Milch einen Einfluss auf den damit zu erzielenden Preis, sodass die Inhaltsstoffkonzentrationen schnellstmöglich bestimmt werden müssen, um eine faire Bezahlung zu gewährleisten aber auch um eine Absicherung des Verarbeiters der Milch zu erzielen. Um einen konstanten Proteinlevel im Milchpulver zu erreichen, der jeweils für den Zielmarkt eingestellt werden soll, muss gerade bei Produktionen für Länder mit sehr schlechter Proteinversorgung wie Ländern in Afrika oder Mittelasien in vielen Fällen das Protein künstlich zugesetzt werden. Um genau zu wissen, wie viel Protein hinzugefügt werden muss, wird der Proteinlevel der Rohmilch benötigt. Außerdem ist es wichtig, den Fettgehalt der Milch zu bestimmen, da dieser wiederum direkt einen Einfluss auf den Fettgehalt des Milchpulvers hat und auch der Typ der Spraydüsen im Sprühtrocknungsprozess je nach verwendeter Ausgangsmilch ausgewählt werden muss. Ist das Milchpulver erst einmal sprühgetrocknet, ist es wichtig, den Fett-, Protein- und Wassergehalt zu kontrollieren, um die gewünschten Konzentrationen im Produkt zu erhalten.

Die richtige Technologie zurProzesskontrolle

Im Sinne einer zuverlässigen und sehr schnellen Prozesskontrolle sollten die wichtigen produktrelevanten Parameter zeitgleich direkt im Prozess bestimmbar sein, um klassische zeitaufwendige Messmethoden zu ersetzen. Darüber hinaus muss eine solche Messtechnik einfach in einen Prozess integriert werden können, ohne dabei das zu kontrollierende Produkt zu beeinflussen oder gar zu zerstören. Auch die Kommunikation mit Prozessleitsystemen muss ein solches System beherrschen.

Eine Technologie, die genau diese Ansprüche besonders auch für die Milchpulverherstellung erfüllt, ist die NIR-Spektroskopie. Mit der Geräteserie der PMD500-Familie lassen sich aufgrund der Kombination verschiedener Sensortypen vom Farbspektrometer über eine Videokamera bis hin zu einem NIR-Spektrometer je nach Applikation in nur einem Sensorgehäuse sehr schnell, berührungslos und zerstörungsfrei wichtige Produktparameter, wie beispielsweise der Materialfeuchte-, der Protein-, der Fett- und auch der Laktosegehalt, zeitgleich mit nur einem System bestimmen. Selbstverständlich ist diese Geräteserie auch in der Lage, weitaus mehr Parameter zu messen, sodass sogar eine Bildanalyse zum Zählen von schwarzen Stippen oder das Bestimmen von Flächenverteilungen möglich ist.
Die hier beschriebene Lösung unterscheidet sich signifikant von bisher bekannten am Markt erhältlichen herkömmlichen Lösungen. So ist das Sensorsystem unempfindlich gegenüber Vibrationen und Erschütterungen, wie sie in Nahrungsmittelprozessen sehr häufig direkt in der Prozessanlage durch Siebe oder Vibrationsförderer auftreten können. Zum Verdeutlichen der Unempfindlichkeit gegen Erschütterungen lässt sich leicht die Applikation dieser Geräteserie an einem Rotationsmixer heranziehen. In diesem Fall wird das System mit einer Bluetooth-Antenne und einem Akkupack ausgestattet und kann während des Rotationsmischens Inhaltstoffkonzentrationen und Homogenitätszustände überprüfen, ohne dass der Sensor davon Schaden nimmt oder gar die Messung nicht mehr zuverlässig funktioniert.
Die hohe Flexibilität dieser Systemfamilie ermöglicht einen breiten Einsatz in der Milchpulverproduktion, da hiermit sowohl die flüssige Milch als auch das Endprodukt Milchpulver in Hinsicht auf die bereits erwähnten Parameter überwacht werden können. Die Prozesssicherheit wird durch dieses System nicht nur aufgrund seiner Vielzahl an möglichen Einsatzbereichen gewährleistet, sondern auch aufgrund seiner prozesstauglichen Systemeigenschaften. So wird beispielsweise ein Ausfall des Leuchtmittels im Sensor nie zum Ausfall des Messsystems als solches führen, da die Lichtquelle aus zwei redundanten Leuchtmitteln besteht, die automatisch im Fehlerfall umgeschaltet werden. Der Anwender erhält daraufhin eine Fehlermeldung auf dem Monitor, sodass er einen Lampenwechsel veranlassen kann. Auch die Umgebungsbedingungen sind für dieses Sensorsystem kein Problem. Es lässt sich bei Umgebungstemperaturen von bis zu 80°C einsetzen, besitzt die Schutzart IP65 und hat eine europäische Atex-Zulassung als Standard.

Fazit: Kostenoptimierung mitOnlinekontrolle möglich

Die Optimierung des Wassergehalts um nur 0,1% bewirkt bei einem Materialpreis von rund 400Euro/t und einer jährlichen Produktion von 1Mio t eine Gewinnerhöhung von 400000Euro. Darüber hinaus hilft diese Prozessmesstechnik beim Erreichen konstanter Proteinlevel und dem Einhalten von Fettgehalten mit dem Ziel, eine konstante Produktqualität sicherzustellen.

Sartorius baut Technologie-Portfolio zur Prozessanalytik weiter aus
Sartorius, einer der international führenden Anbietern von Labor- und Prozesstechnologie, baut sein Portfolio für die Labor- und Prozessanalytik weiter aus. Mit der Walldorfer NIR-Online GmbH, die auf die Entwicklung von Nahinfrarot-Spektroskopiesystemen zur Qualitätssicherung und Prozessoptimierung spezialisiert ist, hat das Unternehmen kürzlich eine Kooperationsvereinbarung getroffen. Diese sichert Sartorius die Rechte für den Vertrieb und Service von Nahinfrarot-Spektroskopiesystemen an Kunden aus der Food- und Pharmaindustrie zu.
Im Gegensatz zu konventionellen Nahinfrarot-Spektrometern sind die Spektroskopiesysteme der NIR-Online mit Bildverarbeitungsmodulen kombiniert und speziell für den Online-Einsatz konzipiert. Sie werden in den Produktionsprozessen der Lebensmittel- und Pharmaindustrie sowohl entlang der gesamten Prozesskette als auch im Labor zur Messung von verschiedenen chemischen und physikalischen Produkteigenschaften eingesetzt. Die Systeme erheben während des gesamten Herstellprozesses kontinuierlich Messdaten und liefern aufgrund einer Autokalibration auch bei schwankenden Produkteigenschaften zuverlässige Ergebnisse. Damit stellen sie eine vollständig dokumentierte Qualitätskontrolle in Echtzeit sicher und ermöglichen eine unmittelbare Steuerung, Regelung und Optimierung von Produktionsprozessen.
Für Sartorius stellt die Kooperationsvereinbarung eine bedeutende Erweiterung des Produktportfolios für die Geschäftseinheit Process Analytics dar. „Um auf Prozessschwankungen effizient und zeitnah reagieren zu können, verlagert sich die Analyse qualitätskritischer Parameter immer stärker vom Labor in den Prozess. Mit den innovativen NIR-Systemen bieten wir unseren Kunden aus der Lebensmittel- und Pharmaindustrie eine optimale Lösung zur Qualitätssicherung sowie ein Höchstmaß an Wirtschaftlichkeit“, erklärte Mario Becker, Leiter Process Analytics bei Sartorius.
Das Walldorfer Unternehmen NIR-Online profitiert von den weltweiten Vertriebsstrukturen des Sartorius Konzerns. „Mit Sartorius haben wir einen perfekten Partner für den applikationsorientierten Vertrieb unserer Produkte gefunden. Der Konzern besitzt weltweit etablierte Vertriebs- und Servicestrukturen und ist sowohl für die Lebensmittel- als auch für die Pharmaindustrie einer der führenden Technologieanbieter mit sehr gutem Zugang zu einer internationalen Kundschaft“, kommentierte Thomas Schneider, geschäftsführender Gesellschafter der NIR-Online, die Kooperationsvereinbarung.
Mario Becker, Leiter Process Analytics bei Sartorius

Heftausgabe: Februar 2011
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Über den Autor

Dr. Sven Groß , Produktmanagement Process Analytics Sartorius
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