Hart im Nehmen

Wartungskosten reduzieren mit einer vernetzten CIP-Reinigungsanlage

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26.05.2015 Sauber, schnell und günstig: Diese drei Wörter hören Betreiber gerne, wenn es um die Reinigung ihrer Produktionsanlagen geht. Ob in der Getränke-industrie oder in der pharmazeutischen Industrie – 'Cleaning in Place' (CIP) zählt zu den Standardreinigungsmethoden.  

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Entscheider-Facts für Betreiber

  • Bei der CIP-Reinigung sind im Prozess angewendete pH-Elektroden oft großen Belastungen ausgesetzt, die deren Lebensdauer verkürzen.
  • In solchen Fällen kann der Anwender auf robuste Elektroden zurückgreifen, die wartungsarm arbeiten und ihre Daten an ein Mehrkanalmessgerät weitergeben.
  • Über dieses Messgerät lässt sich die gesamte Reinigung steuern, analysieren und optimieren, sodass der Anwender am Ende Kosten sparen kann.

Mit einer vollautomatischen CIP-Reinigungsanlage können Unternehmen Kosten senken und wirtschaftlicher produzieren. Möglich machen das unter anderem robuste pH-Elektroden sowie eine kontinuierliche Überwachung aller beteiligten Geräte.

Grundlage für den CIP-Reinigungsprozess ist ein optimiertes Zusammenspiel der Faktoren Mechanik, Zeit und Chemie. Das Reinigungsverfahren gliedert sich in mehrere Prozessschritte, bei denen es verschiedene Faktoren zu berücksichtigen gilt – darunter den Verschmutzungsgrad in der Produktionsanlage und das hergestellte Produkt. Probleme können beispielsweise durch Kreuzkontaminationen bei einem Chargenwechsel entstehen.

Während der CIP-Reinigung muss der Betreiber die Leitfähigkeit sowie den pH-Wert im Auge behalten. Zum Messen dieser Werte sind je nach Applikation im Prozess Inline-pH-Elektroden verbaut, die der CIP-Reinigung standhalten müssen. Interessant wird es, wenn die Anlage am Ende des Reinigungsschrittes noch dampfsterilisiert wird.

Der pH-Wert spielt eine große Rolle
Je nachdem, ob der Betreiber den CIP-Prozess als sogenannte verlorene Reinigung oder als Stapelreinigung fährt, ändert sich die Mess-Priorität. Denn bei der verlorenen Reinigung werden alle Reinigungs- und Spüllösungen nach Ende des Reinigungsprozesses verworfen. Hier spielt vor allem die pH-Messung eine Rolle, da die Kosten für die Wasserentsorgung vom Verschmutzungs-, beziehungsweise Belastungsgrad des Abwassers abhängen. Darüber hinaus sind Firmen, die Abwasser in kommunalen Kläranlagen entsorgen, dazu verpflichtet, dieses zu neutralisieren. Da in den Sammelbecken ein hoher Verschmutzungsgrad herrschen kann und mit wechselnden pH-Werten und Temperaturen zu rechnen ist, müssen die dort eingesetzten Elektroden großen Beanspruchungen standhalten. Je nach Anwendung befinden sich darüber hinaus auch pH-Messstellen im Prozess. Diese muss ein Mitarbeiter für die CIP-Reinigung unter Umständen ausbauen – wenn beispielsweise ein Fermentationstank Teil der Anlage ist, der bei der Reinigung dampfsterilisiert werden muss. Unter diesen Belastungen würde die Lebensdauer einer Standard-pH-Elektrode deutlich sinken.

Glaselektroden für die pH-Messung
Eine pH-Elektrode muss der Anwender immer den Prozessbedingungen anpassen. Hier spielen Faktoren wie Produktionsmedium, Temperatur, Druck und der zu erwartende pH-Wert eine große Rolle. Entsprechend dieser Faktoren werden die einzelnen Bestandteile (Membranglas und Diaphragma) einer pH-Elektrode ausgewählt. Die kombinierten Einstabmessketten der Reihe Tecline vom Messtechnik-Hersteller Jumo gibt es auch in einer robusten Heavy-Duty-Ausführung, die Temperaturen bis 135 °C und Drücken bis 13 bar standhält und sich auch in ölhaltigen Medien oder Prozessen mit erhöhter Schmutz- und Giftfracht einsetzen lässt. Durch ein großflächiges PTFE-Ringdiaphragma lassen sich die Elektroden schnell ansprechen, sind aber weitgehend unempfindlich gegen größere Schmutzfrachten. Die Doppelkammer-Bauweise verhindert über den verlängerten Diffusionsweg den Elektrodenausfall bei eindringenden Elektrodengiften. Eine große Salzvorlage im Bezugssystem ermöglich es, langzeitstabil zu messen.

Messen und sofort auswerten
Damit der Anwender die Messwerte nutzen kann, um seine Anlage zu überwachen und damit die Prozesssicherheit zu prüfen, kann er seine Elektroden sowie weitere Sensorik mit einem Mehrkanalmessgerät wie dem Aquis Touch S des Messtechnik-Herstellers verbinden. Es erfasst die zu messenden Parameter über vier Analyseneingänge, die in der CIP-Reinigung mit Leitfähigkeit im Vorlauf und pH-Wert im Rücklauf belegt werden können. Über weitere Analogeingänge lassen sich beispielsweise noch die Füllstände der Vorratstanks, die Trübung des Rücklaufs und der Durchfluss realisieren. Das Mehrkanalmessgerät verfügt über binäre Ein- und Ausgänge, mit denen es beispielsweise über eine Frequenzmessung den Durchfluss kontrollieren, Grenzwerte überwachen, PID-Regelungen übernehmen und Alarme schalten kann. So ist es durchaus denkbar, dass das Gerät in Abhängigkeit der Messparameter auch die Steuerung der Ventile für die einzelnen Reinigungsstufen übernimmt.

Die integrierten Timer ermöglichen einen reibungslosen Anlagenbetrieb und verringern den Instandhaltungsaufwand. Zwei Waschtimer helfen, die pH-Elektroden turnusmäßig zu reinigen. Der Anwender kann einen Intervall voreinstellen und damit wiederkehrend bestimmte Funktionen auslösen – beispielsweise können die Waschtimer Binärausgänge ansteuern, um einen Reinigungsprozess in der Anlage einzuschalten. Durch regelmäßiges Reinigen der Sensoren steigt die Messsicherheit. Der Kalibriertimer erinnert den Betreiber regelmäßig daran, Sensoren neu zu kalibrieren. Entsprechende Alarme und Ereignislisteneinträge kann er individuell konfigurieren. Für die Analogeingänge IN 6 bis IN 12 ist ein Kalibrierlogbuch vorhanden, in dem er alle erfolgreich abgeschlossenen Kalibriervorgänge mit Datum, Zeit und vielen weiteren Details festhält. So hat der Anlagenbetreiber einen Überblick über die Kalibrierhistorie der Analysesensoren.

Mit der zusätzlichen Registrierfunktion lassen sich alle Messdaten erfassen und speichern. Der Vorteil: Das Gerät kann auch behördliche Aufzeichnungspflichten erfüllen. Mit den Softwarepaketen PCC und PCA lassen sich die registrierten Daten beispielsweise über Ethernet an eine Datenbank übertragen und dort ablegen.

In der Praxis ist es üblich, sämtliche Daten in einer zentralen SPS zu steuern. Oft ist diese aber nicht für die große Datenmenge ausgelegt und stößt mit der Zeit an ihre Leistungsgrenze. Ein Mehrkanalmessgerät entlastet die SPS und macht sie leistungsfähiger. Das Zusammenspiel von pH-Elektrode mit einem solchen Gerät ermöglicht es dem Anwender, die komplette CIP-Reinigung zu steuern. Er kann seinen Prozess im Detail analysieren, optimieren und damit Kosten sparen.

Zur Technik
Die CIP-Reinigung

Bei der CIP-Reinigung werden die Reinigungsmittel und Spüllösungen über einen in die Anlagen integrierten Sprühkopf auf die Oberflächen der Anlagenkomponenten aufgetragen. Da der Spülkopf sich bewegt, benetzen die Reinigungslösungen alle Oberflächen und die Anlage wird komplett gereinigt.

Insgesamt umfasst eine CIP-Anlage Konzentrattanks, Anwendertanks, Mess- und Dosiertechnik sowie einen Wärmeübertrager. In einem Konzentrattank befindet sich Säure, in einem weiteren Lauge. Beide Konzentrate werden in den Anwendertanks mit Wasser auf die Konzentration der Anwenderlösung eingestellt. Die Viskosität einer Lauge nimmt allerdings mit sinkender Temperatur zu – eine Eigenschaft, die für den Reinigungsprozess besonders im Winter hinderlich werden kann. Daher ist der Laugentank zur Temperaturerhaltung an einen Wärmeübertrager angeschlossen. Des Weiteren gehören zur CIP-Anlage Tanks mit Spülwasser sowie – je nach Anwendung – jeweils einer mit Desinfektionsmittel oder Reinstwasser. Abschließen lässt sich der Reinigungsprozess dann, wenn benötigt, mit einer Dampfsterilisation.

 

Achema Halle 11.1 – E41

 

Heftausgabe: Juni 2015
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Christina Hoffmann, Branchenmanagerin Pharma & Food bei Jumo

Über den Autor

Christina Hoffmann, Branchenmanagerin Pharma & Food bei Jumo
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