Wasserverbrauch und –optimierung bei der CIP-Reinigung Dr.-Ing. Martin Hübner 26. Sept. Solothurn
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Die Lebensmittelindustrie setzt ambitionierte Ziele
Im Durchschnitt 10 bis 20 % verringerter
Wasserverbrauch bis 2020
Frischwasser-Knappheit
Optimierte Prozesse und Wiederverwendung
von Wasser
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Wasserverbrauch in der Milchwirtschaft
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► Geschätzter Wasserbedarf pro Liter Milch ~ 100 l ► Wasserverbrauch in Molkerei ~ 1 l
► Gesamt Milcherzeugung in 27 EU Staaten 152 Mill to (*) ► Wasserbedarf in der EU Milchwirtschaft ~152 Mill m3/a
► Einsparungsziel in 10 Jahre bis 2020 > 20% entspricht 34 Mill m3/a Wasser
(*) Zahl von 2011 70% vom Bodensee
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Wasserverbrauch in einer Molkerei
► Detailwissen wo wird wie viel Wasser verbraucht fehlt § Weichwasser ? % L FW / kg Milch § Kesselspeisewasser ? % ″ § Kühlwasser ? % ″ § Produktionsanlagen ? % ″ § Reinigung
§ CIP Anlagen ? % ″ § Maschinen/ Gebäude ? % ″
§ Haustechnik ? % ″
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Aufteilung des Wasser-Einsparpotentials Bei einem Einsparpotential von 20 % teilen sich diese typischerweise wie dargestellt auf
Produktion (Planung) Mischphasen Wasser
Aufbereitung Automation / Meßtechnik
Produktionsprozess
Produktion (Verfahren)
Automatisierung
CIP und Rückgewinnung
CIP
30% 10% 5% 5% 40% 10%
Identifikation des Optimierungspotentials
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Identifikation des Optimierungspotentials Modellieren / Messen / Bilanzieren
Produkt Emissionen Abwasser, Abfall…
Rohprodukt Energie Wasser
Bereichserfassung Material, Energie- und Wasserströme
Bereichsermittlung für z.B. CO2 (Carbon Footprint LL/2011-11-11
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Detaillierte Erfassung der Wasserströme
CIP
Evaporator condensate
Separator cooling water
Homogenizer cooling water
Deaerator cooling water
Shaft seal water
Whey filtration
Utility
Process
Raw water Process /product water factor 0,5 -2,0 l per l of milk Water treatment
White water treatment
High grade water treatment
Waste water treatment
Packaging
Final rinse return
Pre rinse
Final rinse
Flush
Boiler condensate Air or Refrigeration Compressor cooling
Sludge
30-50 % of total water consumption
factor x l of product
factor x l of product plus ingredient water
20 % of total water
100 l/h per 1000 l product
20 l/h per 1000 l product
100-150 l/h
Branded Module, water at sterilization 6-8 % of production capacity
Past milk and UHT line respective 350 & 170 l per 1000 l product
Mix phases, Flush Pre rinse return
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Optimierungspotential Wasserverbrauch ► Anlagenlayout, -aufstellung
Rohrleitungsdimensionierung – führung ► Neue Prozesskonzepte ► Anlagen- und Maschinen und Komponentenoptimierung ► Produktionsplanung, Batchgrößen anpassen
an Anlagenstandzeit ► Vermeidungsmassnahmen
− Wärmeschaukelkonzepte (statt Frischwasser für Kühlung) − Vorkühlung mit Kühlturmwasser (statt Frischwasser) − Reduzierung von Sperrwasser
► Rückgewinnung / Aufbereitung von Wässern ► Messtechnik und Automationsniveau ► Optimierung der Reinigung und Reinigungskonzepte
Neue Prozesskonzepte; Anlagen- / Maschinen- und Komponentenoptimierung Vermeidungsmassnahmen
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Neue Verfahren UHT-Milch Herstellung in einem Schritt ohne Pasteurisation und Zwischenlagerung
35% Platzeinsparung 60% Wassereinsparung
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► Standzeitverlängerung von 20 auf 26 h
Standzeitoptimierung bei der Erhitzung Tetra Therm Aseptic Flex
(*) Erhitzungsanlage 15.000 l/h /5.000 h/a
- 1.000 m³/a 30% Wassereinsparung
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► Spülen mit Molke ► Verbesserungen in der Anlagenkonzeption ► Reduzierte Produktreste ► Verlängerte Standzeit (von 25 auf 30h) ► Reduzierte CIP Zeiten
Anlagenoptimierung Tetra Tebel Casomatic SC7 vs. CSC 6.3
100%0Lubricant, cm3/1000 kg cheese
>90%0.02BOD effluent load, g O2/1000 kg cheese
96%0.02Product waste, g/1000 kg cheese
61%0.2Fresh water, m3/1000 kg cheese
53%2.8Carbon footprint, kg CO2/1000 kg cheese
8%5.6Electricity, kWh/1000 kg cheese
Improvement vs. CSC 6.3
CSC 7.0
Environmental indicator
100%0Lubricant, cm3/1000 kg cheese
>90%0.02BOD effluent load, g O2/1000 kg cheese
96%0.02Product waste, g/1000 kg cheese
61%0.2Fresh water, m3/1000 kg cheese
53%2.8Carbon footprint, kg CO2/1000 kg cheese
8%5.6Electricity, kWh/1000 kg cheese
Improvement vs. CSC 6.3
CSC 7.0
Environmental indicator
- 19.000 m³/a 65% Wassereinsparung
(*) Bei 60.000 to/a Käse
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► Drosselung von Sperrwassers − Einsparung bis 3% Frischwasser Betrieb “weisse Linie” mit 1 Mill l/d
► Standardsystem für Aufbereitung von Gleitringwasser − Wasseraufbereitung über ein Filtersystem − z. B. für Filtrationsanlagen mit mehreren Pumpen − Sammelleitung im Keller
Reduzierung Gleitringwasserverbrauch Reduzierung, Geschlossene Gleitringwasserlösung
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Komponentenoptimierung
Einsparung mit richtigen Sprühkugeln
Wirkung: 10% 70% 100% Benetzung: Kaskadierung Verwirbelung Indexmuster Durchfluss + Zeit: 100% 70-75% 40-50%
Sprühkugel Rotarierende Sprühkugel Zielstrahlreiniger
Wasserrückgewinnung
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Spülmilchrückgewinng Umkehrosmose-Anlage, Tetra Alcross
► Spülmilchrückgewinnung aus Milch-Mischphasen. ► Wiedervertung vom Retentat
− in Joghurt, Ice Cream, Käse, Milchpulver ► Wiedervertung vom Permeat
− als Vorspülwasser für CIP, Aufbereitet für Kesselspeisewasser etc. ► Reduktion der Schmutzfracht im Abwasser
− CSB ~ 75-120 ppm; mit Polishing < 50 ppm
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Kondensat aus dem Verdampfer
Umkehr- osmose
Remineralisierung Denitrifikation
UV
► Umkehrosmose zur CSB Reduzierung ► UV Desinfektion ► Aktive Kohlefilter Behandlung ► Wasser Re-Mineralisierung für pH Einstellung ► Denitrifikation von Harnstoff (führt gegebenenfalls zur
Verschleimung) ► TOC Messung – Überwachung organischer Substanzen ► Cl Desinfektion als 2. hygienische Massnahme ► pH, Leitwert und Temperaturmessung
Cl-Des- infekton
TOC Kontrolle
Internal
Aktiv kohle
Brüdenaufbereitung zu Trinkwasser
Denitrifikation Unter Denitrifikation versteht man die Umwandlung des im Nitrat gebundenen Stickstoffs zu molekularem Stickstoff und Stickoxiden, durch bestimmte heterotrophe und einige autotrophe Bakterien, die demnach als Denitrifikanten bezeichnet werden
Wassereinsparung in der CIP-Reinigung
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Optimierungspotential bei der CIP
► Dezentralisierung der CIP Station ► Austausch von Frischwasser gegen aufbereitetes Wasser (ausser für letzte
Spülung) ► Rezeptgesteuerte Mischphasentrennung in Spülschritten ► Bedarfsgerechte Reinigung
z.B. mit IntelliCIP ► Einsatz von Einphasenreiniger (bisher nur üblich bei der Tanklastwagenreinigung/
Rohmilchbereich und in wenigen Fällen für Prozessanlagen)
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Reinigungsschritte bei der CIP Vorspülung • Wasser bei 40-60°C • Entfernung von Zucker Abschmlezung von Fetten
Laugenzirkulation • Entfernung von Proteinen und Fetten
Spülung • Ausspülen des gelösten Schmutzes und Entfernung der Lauge.
Säurezirkulation • Lösen der mineralischen Salze und der Ablagerungen aus hartem
Wasser.
Schlussspülung • Spülung
• Ausspülen des gelösten Schmutzes und Entfernung der Säure
Schritt 1-4 mit aufbereitetem Wasser
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Wasserbedarfsvergleich Zentrale versus dezentrales Reinigungskonzept ► Vergleich basierend auf:
§ 80 Reinigungsobjekte (Betrieb1 Mio. kg Milch pro Tag) § 72.000 Spülwasserphasen pro Jahr § Mittlere Rohrleitungslänge ∆ 80 m
► Investition: § Mehrkosten dezentralisiertes CIP ~ Faktor 2.1 (650.000 + 750.000.-€)
► Wassereinsparung: § Wasserreduktion um 17.000 m³/a § Reduktion des spezifischen Wasserverbrauchs um ~ 4% § Kosteneinsparung ~ 50 – 70.000.-€/a (rechnet sich so alleine nicht) § Zusätzlich Einsparung Reinigungsmittel/Zeit
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Tetra CipFlex
/ 23 Product & Water Saving
DN / Juni 2012
► Die CIP Anlage ermöglicht individuelle Reinigungsparameter für jeden Reinigungskreis. Die Entscheidung über die ”Sicherheitsmarge“ für eine effektive Reinigung, obliegt dem Betreiber.
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...Ziele sind erreichbar... Frischwasserverbrauch in der Milchwirtschaft
► Betriebe mit einem klaren Wassermanagement haben eine Einsparung von 10-15% in den letzten 10 Jahren erreicht.
► Die Ziele weiter den Wasserbedarf um 10 bis 20 % zu reduzieren ist möglich
► Einsparung von Wasser ist ein kontinuierlicher Optimierungsprozess
► Der Anlagenbauer/Lieferant von Prozesslösungen trägt dazu bei in dem er Anlagen und die Gesamtplanung optimiert und Automations- und die messtechnischen Grundlagen motiviert und schafft um den kontinuierlichen Optimierungsprozess im Betrieb zu unterstützen
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Die Molkerei der Zukunft
► Reduktion von Frischwasser um > 50% - mit Wasseraufbereitungssystemen
► Referenzbetrieb für Konsummilch setzt heute bereits 50% mit RO-Anlagen aufbereitet Wasser ein.
► Trocknungswerke können mit der Aufbereitung von Brüden zu Trinkwasser zu Wasser-Selbstversorger werden
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