Methodenkatalog zur Schmutzcharak­terisierung

Inhaltsverzeichnis

1. 1. Allgemeines
   2. Vielfältige Schmutzeigenschaften
   3. Anwendung und Methodenauswahl
      1. Holistisches Prozessschema
      2. Methodenauswahl
   4. Evaluierung der Methoden
   5. Methodenkatalog
      1. Produktzusammensetzung
      2. Visuelle Beurteilung
      3. Quell-Spatel-Wisch-Test
      4. Schichtdickenmessung
      5. Zentrifugentest
      6. Abzugskraftmessung
      7. Oszillationsrheometrie
      8. Thermische Eigenschaften
   6. Kontakt
      1. Ansprechpersonen 
   7. Projektförderung

Allgemeines

Ziel des Methodenkatalogs ist die zielgerichtete Charakterisierung reinigungsrelevanter Schmutzeigenschaften in der Lebensmittelindustrie. Auf Basis der Eigenschaften der spezifisch betrachteten Schmutz-Flüssigkeits-Kombination lassen sich Aussagen zur Eignung der verwendeten Reinigungsflüssigkeit treffen. Dies ermöglicht eine Anpassung der Reinigungsflüssigkeit für die jeweils betrachtete Verschmutzung und damit die Anpassung des Reinigungsprozesses außerhalb der Produktionsanlage.

Die praktische Anwendbarkeit des Methodenkatalogs ist eine Grundvoraussetzung für dessen tatsächliche Nutzung im industriellen Umfeld. Um diese zu gewährleisten, wurden im Projekt zum einen Hilfswerkzeuge zur zielgerichteten Identifikation geeigneter Charakterisierungsmethoden entwickelt. Zum anderen ist ein industrierelevanter Aufbau der Dokumentation und Bewertung der eingepflegten Charakterisierungsmethoden wesentlich. Die Charakterisierungsmethoden wurden in spezifischen Methodensteckbriefen beschrieben und hinsichtlich ihrer Potenziale, Restriktionen und industriellen Anwendbarkeit dokumentiert und bewertet. Die Gesamtheit der eingepflegten Methodensteckbriefe bildet den Methodenkatalog.

Vielfältige Schmutzeigenschaften

Auf Grundlage eigener Vorarbeiten, umfangreicher Fachliteratur und den Diskussionen mit den projektbegleitenden Unternehmen wurden reinigungsrelevante Schmutzeigenschaften identifiziert und eine Strukturierung in Eigenschaftsgruppen erarbeitet. Diese Gruppierung ist in Abbildung 1 dargestellt und umfasst die chemische Struktur, visuelle Erscheinung, thermische Eigenschaften, Benetzungsverhalten, Quellungsverhalten, rheologische Eigenschaften und Adhäsionseigenschaften.

Anwendung und Methodenauswahl

Holistisches Prozessschema

Ein holistisches Prozessschema wurde zur Einordnung der vorhandenen Möglichkeiten zur Probenahme sowie der Aussagekraft gewonnener Proben über den eigentlichen Reinigungsprozess entwickelt. Das Prozessschema umfasst hierbei den gesamten Produktionszyklus bestehend aus der Lebensmittelverarbeitung und dem Reinigungsprozess. Es ist in Abbildung 2 dargestellt. Das Prozessschema ist als rotierende Zeitachse aufgebaut. Von innen nach außen zeigt es entlang des Radius die Maschinenoberfläche, den interessierenden Maschineninnenraum und letztlich die Prozessgrenze. Zu Beginn des Produktionszyklus ist lediglich die saubere Maschinenoberfläche vorhanden. Mit Produktionsbeginn wird der zu verarbeitende Lebensmittelrohstoff in das System eingegeben und über die Zeit hinweg verarbeitet. Dabei entsteht eine an der Maschinenoberfläche anhaftende Schmutzschicht. Das prozessierte Lebensmittelprodukt verlässt das System und hinterlässt eine verbleibende Schmutzschicht auf der Maschinenoberfläche. Mit Beginn des Reinigungsprozesses wird Reinigungsflüssigkeit in das System eingeleitet und über die verschmutzte Maschinenoberfläche gefördert. In diesem Moment liegt das sogenannte Reinigungssystem, also der Dreiklang aus Maschinenoberfläche, Schmutz und Reinigungsflüssigkeit, vollständig vor und der Abtrag der Schmutzschicht erfolgt über die Zeit hinweg. Die Reinigungsflüssigkeit verlässt beladen mit dem abgetragenen Schmutz das System und nach erfolgreicher Reinigung werden eventuell noch Desinfektions- und Sterilisationsprozesse durchgeführt bis die Maschinenoberfläche wieder sauber vorliegt und ein neuer Produktionszyklus beginnen kann.

Methodenauswahl

Die Anwendung des Methodenkatalogs bzw. die Identifikation einer geeigneten Charakterisierungsmethode ist im Fließschema in Abbildung 3 dargestellt. Der in Kricke et al. (2025) entwickelte und im Rahmen von SMESA weitergeführte Entscheidungsbaum kann eine Ausgangsbasis zur Identifikation reinigungsrelevanter Schmutzeigenschaften bilden, welche für die Charakterisierungsaufgabe infrage kommen. Ausgehend von der interessierenden Schmutzeigenschaft lassen sich mithilfe des im folgenden Abschnitt näher beschriebenen Eigenschaftsdiagramms weitere Schmutzeigenschaften identifizieren, welche potenziell ähnliche Aussagen über die interessierenden Zielgrößen und perspektivisch das Reinigungsverhalten zulassen. Mit den interessierenden Schmutzeigenschaften kann die Recherche nach verfügbaren Charakterisierungsmethoden im Methodenkatalog erfolgen. Das im Folgenden näher erläuterte Prozessschema dient nun der Überprüfung, ob die vorhandenen Möglichkeiten zur Probenahme mit den für die jeweilige Charakterisierungsmethode notwendige Probenform übereinstimmen. Ist dies nicht der Fall, ist die Möglichkeit zur Nutzung von Modellschmutz zu evaluieren. Sollte auch Modellschmutz zur Bestimmung der interessierenden Schmutzeigenschaft nicht geeignet sein, ist die Auswahl der spezifischen interessierenden Zielgröße anzupassen und die Recherche nach einer geeigneten Charakterisierungsmethode zu wiederholen. Sind geeignete Möglichkeiten zur Probenahme oder zur Nutzung von Modellschmutz vorhanden, kann der Methodensteckbrief ausgewählt und die Charakterisierung umgesetzt werden.

Der im Rahmen des Projekts Schmutzstrukturbasierte Reinigungsoptimierung 2 (IGF 20861 BR) entwickelte und in Kricke et al. (2025) veröffentlichte Entscheidungsbaum ist in vereinfachter Form in Abbildung 4 dargestellt. Er wurde anhand eines Datensatzes von 55 Reinigungssysteme (spezifische Schmutz-Reinigungsflüssigkeits-Kombinationen) vorwiegend basierend auf kohlenhydratbasierten Verdickungsmitteln sowie Wasser und 2% Natronlauge bei 25 °C und 55 °C erstellt. Für die spezifischen Reinigungssysteme wurden quellungsbasierte, rheologische und mechanische Schmutzeigenschaften sowie das Reinigungsverhalten erhoben und mithilfe der statistischen Methode Entscheidungsbaum analysiert und in strukturierter und priorisierter Form dargestellt. Diese Darstellung erlaubt es nun, basierend auf den im Entscheidungsbaum angegebenen Schmutzeigenschaften Aussagen zum erwarteten Reinigungsverhalten zu treffen. So wurde die rheologische Eigenschaft Komplexer Schubmodul als wesentliche Zielgröße identifiziert, um Reinigungssysteme mit einer schnellen Reinigung zu identifizieren. Im nächsten Schritt wurde die Fluidbindekapazität des Reinigungssystems als Entscheidungsknoten bestimmt. Im dritten Schritt können Reinigungssysteme anhand der Zielgröße Abzugskraft hinsichtlich ihres Reinigungsverhaltens aufgeteilt werden. Auf die genannten Schmutzeigenschaften wird im weiteren Bericht eingegangen. Im Rahmen dieses Projekts wird der Entscheidungsbaum auf Grundlage der erhobenen Daten erweitert und um milch- und pflanzenbasierte Verschmutzungen ergänzt.

Evaluierung der Methoden

Um die Eignung einer Charakterisierungsmethode für die spezifisch vorliegende Aufgabenstellung und praktischen Rahmenbedingungen weiter zu schärfen, wurden aufbauend aus eigenen Erfahrungen, umfangreicher Fachliteratur und Diskussionen mit den projektbegleitenden Unternehmen Evaluierungskriterien zur Methodendokumentation und -bewertung erarbeitet. Diese sind in Tabelle 1 in den drei Kategorien Informationsgehalt, Limitierungen und industrielle Anwendbarkeit aufgelistet und wurden auf jede im Projekt umgesetzte Methode angewandt. Im Sinne des Informationsgehalts, welcher durch die Charakterisierungsmethode geliefert werden kann, wer-den die Methode selbst sowie die bestimmbare Eigenschaft und spezifische Zielgröße der Messung benannt. Mithilfe des holistischen Prozessschemas kann eine Einordnung der untersuchbaren Proben gemäß der Prozesspunkte bei Probenahme erfolgen. Mittels des Prozessschemas lässt sich auch der Prozess-schritt identifizieren, über welchen mithilfe der Charakterisierungsmethode direkte oder indirekte Informationen gewonnen werden können.

Hinsichtlich der Kategorie der Limitierungen werden die von der Charakterisierungsmethode untersuchbaren Probenzustände weiter spezifiziert und eingeteilt in Pulver, Fluid, feuchte Schicht, trockene Schicht und Partikel. Es werden besondere Restriktionen oder Anforderungen der Charakterisierungsmethode dokumentiert. Mögliche anwendbare Temperaturbereiche und in die Messung integrierbare Reinigungsflüssigkeiten gehören zu den wesentlichen Evaluierungsmerkmalen. Weiterhin wird die zeitliche Auflösung des Messsignals der Charakterisierungsmethode in zeitdiskret einfach, zeitdiskret mehrfach und zeitkontinuierlich eingeordnet. Für die örtliche Auflösung wird die Einteilung hinsichtlich integral einfach, punktuell einfach oder ortsaufgelöst vorgenommen. Aspekte, welche die Vergleichbarkeit der Messergebnisse mit weiteren Messergebnissen der Methode zulassen sowie Abhängigkeiten der Messergebnisse von diversen Einflüssen werden dokumentiert. Sollten weitere Charakterisierungsmethoden zur Vorbereitung der Messung oder vollständigen Interpretation der Ergebnisse notwendig sein, sind diese ebenfalls aufgeführt.

Zur Einstufung der industriellen Anwendbarkeit einer Methode werden in dieser Kategorie die notwendigen Materialien und das erforderliche Equipment spezifiziert. Die Charakterisierungsmethode wird im Sinne der Verfügbarkeit in kommerziell verfügbar, als Dienstleistung umsetzbar oder an Forschungseinrichtungen verfügbar eingeordnet. Der Zeitaufwand zur Methodendurchführung wird erfasst und eventuell hinsichtlich Probenvorbereitung, eigentlicher Messung und eventuellen Nachbereitungen separat gelistet. Wesentlich ist auch die notwendige Expertise, welche von Basiskenntnissen über Laborkenntnisse hin zu Expertenkenntnissen reichen kann und ebenfalls hinsichtlich der einzelnen Anwendungsschritte einer Methode aufgeschlüsselt werden können. Die anfallenden Kosten werden ebenfalls aufgeschlüsselt in Bezug auf notwendiges Material und Equipment sowie die Anwendung der Methode. Ein wesentlicher Fak-tor zur Einschätzung der industriellen Anwendbarkeit ist die Einstufung des Stands der Standardisierung der Charakterisierungsmethode, welcher von verfügbar in Normen über allgemeiner Stand des Wissens oder verfügbar in vereinzelter Literatur hin zu einer spezifischen Entwicklung einer Forschungseinrichtung führen kann.

Die Evaluierungskriterien bilden bereits einen wesentlichen Teil des Methodensteckbriefs, in welchem die jeweilige spezifische Charakterisierungsmethode dokumentiert wird. Einleitend baut sich der Methodensteckbrief durch eine kurze Methodenbeschreibung und eine Darstellung des Wirkprinzips der Methode auf und wird durch die Evaluierungskriterien vervollständigt.

Methodenkatalog

Produktzusammensetzung

Download Methodensteckbrief Produktzusammensetzung

Visuelle Beurteilung

Download Methodensteckbrief Visuelle Beurteilung

Quell-Spatel-Wisch-Test

Download Methodensteckbrief Quell-Spatel-Wisch-Test

Schichtdickenmessung

Download Methodensteckbrief Schichtdickenmessung

Zentrifugentest

Download Methodensteckbrief Zentrifugentest

Abzugskraftmessung

Download Methodensteckbrief Abzugskraftmessung

Oszillationsrheometrie

Download Methodensteckbrief Oszillationsrheometrie

Thermische Eigenschaften

Download Methodensteckbrief Thermische Eigenschaften

Kontakt

TU Dresden
Professur für Verarbeitungs­­maschinen/Verarbeitungstechnik
Bergstraße 120, 01069 Dresden
Prof. Dr.-Ing. Jens-Peter Majschak
jens-peter.majschak@tu-dresden.de

TU Dresden
Professur für Lebensmitteltechnik
Bergstraße 120, 01069 Dresden
Prof. Dr. rer. nat. Anja Maria Wagemans
anja.wagemans@tu-dresden.de

Ansprechpersonen 

Projektförderung

Dieser Methodenkatalog entstand innerhalb des durch die Deutsche Bundesstiftung Umwelt geförderten Forschungsprojekts „Standardisierte Methoden für eine industriegerechte Schmutzanalyse in der Lebensmittelproduktion zur ressourcenschonenden Anlagenreinigung (SMESA)“ (DBU AZ 38191).