"Anlaoen-Reiniαunosverfahren mit integrierter Vorspüluno"

Die Anmeldung betrifft eine neue Verfahrensabfolge zur Reinigung von Ver¬ arbeitungs-Anlagen für Getränke oder Lebensmittel in den entsprechenden Verarbeitungsbetrieben. Beispiele hierfür sind milchverarbeitende Be¬ triebe, Brauereien, Betriebe zur Fruchtsaftverarbeitung, zur Herstellung von Lebensmittelkonserven und von Tiefkühlkost. Durch einen integrierten Recyclingsschritt bringt das neue Verfahren ökonomische und ökologische Vorteile.

Für die Reinigung derartiger Anlagen hat sich das sogenannte "cleaning- in-place" (CIP) Konzept durchgesetzt. Dies bedeutet, daß die für die Auf¬ nahme und Verarbeitung von Lebensmitteln oder Getränken vorgesehenen An¬ lagen mit einem fest installierten Reinigungssystem versehen sind. Das Reinigungssystem besteht in der Regel aus mehreren Vorratsbehältern für Reinigungslösung, Vor- und Nachspüllösungen und gegebenenfalls für rücklaufendes Schmutzwasser, über durch Ventile ansteuerbare Leitungen werden die einzelnen Reinigungslösungen der zu reinigenden Anlage zuge¬ führt und gegebenenfalls bis zum Ende des Reinigungsprozesses im Kreis gepumpt. Die Reinigungslösungen selbst können entweder stark sauer oder stark alkalisch sein, also beispielsweise pH-Werte zwischen etwa 0 und etwa 2 oder zwischen etwa 12 und etwa 14 aufweisen. Außer den Säuren bzw. Alkalien wie beispielsweise Natronlauge enthalten die Reinigungslösungen fakultativ weitere Additive wie beispielsweise Tenside, Entschäumer, Kom¬ plexbildner sowie Desinfektionswirkstoffe. "Neutrale" Reiniger mit einem pH-Wert im Bereich von etwa 4 bis etwa 9 si-d ebenfalls möglich.

Bei der CIP-Reinigung der Anlagen in der Lebensmittel- oder Getränkever¬ arbeitenden Industrie geht man derzeit üblicherweise so vor, daß man die entleerte Anlage zum Entfernen von Produktresten mit Wasser vorspült. Das mit Produktresten verunreinigte Wasser wird üblicherweise der Kanalisation zugeführt und geht daher für den weiteren Prozeß verloren. Der Vorspül- schritt kostet damit Wasser, Zeit und auch Energie.

Nach dieser Vorspülung erfolgt üblicherweise die eigentliche Reinigung, bei der die Reinigungslösung aus dem Vorratstank durch die Anlage gepumpt und wieder in den Vorratstank zurückgeführt wird. Die Reinigungslösung läuft dabei so lange im Kreis, bis der gewünschte Reinigungserfolg einge¬ treten ist. Die Reinigungslösung wird dabei durch den aus der Anlage ent¬ fernten Schmutz zunehmend verunreinigt und muß nach kurzer Zeit verworfen oder aufbereitet werden. Zur Aufbereitung der verschmutzten Reinigungslö¬ sung wurden in den letzten Jahren Regenerationssysteme wie zum Beispiel Alka Save oder Niro Filtration Systems in den Markt eingeführt. Bei der¬ artigen Regenerationsverfahren werden Schmutzkomponenten aus der Reini¬ gungslösung entfernt und damit deren Lebensdauer verlängert. Der eigent¬ liche, aus Vorspülung, Reinigung und Nachspülung bestehende Reinigungs¬ prozeß wird hierdurch jedoch nicht beeinflußt.

Nach der eigentlichen Reinigung folgt eine Spülung mit Wasser, um Reste der Reinigungslösung aus der Anlage vollständig zu entfernen. Hierbei fällt ein mit Resten der Reinigungslösung und mit Schmutzresten verunrei¬ nigtes Spülwasser an, das zur Wasserersparnis als Vorspüllösung, wie weiter oben beschrieben, eingesetzt werden kann. Die Tendenz zum Wieder¬ einsatz dieses Wassers ist jedoch aus mehreren Gründen rückläufig: es be¬ steht die Gefahr der Anpassung von Mikroorganismen an die im Spülwasser verdünnt vorliegenden Reinigungs- und Desinfektionswirkstoffe. Die in der Spüllösung und im entsprechenden Stapeltank stehts vorhandenen Keime ver¬ mehren sich und Schmutzkomponenten sammeln sich an. Bei der Vorspülung werden daher zusätzlich Keime und Schmutz in die zu reinigenden Anlagen eingebracht. Dies verschlechtert die Ausgangssituation für die Reinigung und Desinfektion. Verwendet man eine saure Reinigungslösung, so liegt in vielen Fällen der pH-Wert der Spüllösung im Bereich des isoelektrischen

Punktes der zu entfernenden Proteinverschmutzungen. Dadurch wird die Rei¬ nigung erheblich erschwert.

Die vorliegende Erfindung stellt sich die Aufgabe, das CIP- Reinigungsverfahren derartig zu verbessern, daß der Wasserbedarf sowie der Zeit- und Energieaufwand verringert werden und daß gegebenenfalls zusätz¬ lich der aus der Anlage entfernte Schmutz in einer konzentrierten Form anfällt, so daß er leichter weiterbehandelt bzw. entsorgt werden kann.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Reinigung von Verarbei- tungs-Anlagen für Getränke oder Lebensmittel, dadurch gekennzeichnet, daß man

a) ohne Vorspülung die Reinigungslösung aus dem Reinigungslösungs-Behäl- ter durch die Anlage pumpt,

b) einen ersten Teil (= Vorlauf) der aus der Anlage zurücklaufenden Rei¬ nigungslösung in einem Recyclingtank auffängt,

c) den anschließend zurücklaufenden Hauptteil der Reinigungslösung in den Reinigungslösungs-Behälter zurückführt,

d) den im Recyclingtank gesammelten Vorlauf einem Trennverfahren unter¬ wirft, durch das der Vorlauf in ein mit Schmutz angereichertes Kon¬ zentrat und ein an Schmutz verarmtes Regenerat aufgetrennt wird, und

e) das Regenerat in den Reinigungslösungs-Behälter überführt und das mit Schmutz angereicherte Konzentrat entsorgt.

Im Gegensatz zum bisherigen Verfahren wird also auf eine getrennte Vor¬ spülung verzichtet und gemäß Teilschritt a) die Reinigungslösung ohne vorherige Vorspülung in die Anlage gepumpt. Dabei ist es empfehlenswert, die Anlage vorher möglichst weitgehend zu entleeren. Der erste Teil der aus der Anlage zurücklaufenden Reinigung?''ösung, hier als Vorlauf be¬ zeichnet, ist dann noch sehr stark durch Produktreste aus der Anlage

verunreinigt. Diese Verunreinigung zeigt sich daran, daß die Reinigungs¬ lösung aufgrund der Belastung mit Produktresten einen stark erhöhten che¬ mischen Sauerstoffbedarf (CSB) aufweist. Die nach diesem Vorlauf zurück¬ laufende Reinigungslösung weist demgegenüber einen deutlich verringerten CSB-Wert auf, da sie nur noch mit dem abgelösten Schmutz, jedoch nicht mehr mit den ausgespülten Produktresten verunreinigt ist.

Der Kern der Erfindung besteht in seinem ersten Schritt darin, den mit Produktresten belasteten und einen erhöhten CSB-Wert aufweisenden Vorlauf getrennt aufzufangen und einem Recycling-Behälter zuzuführen. Welchen An¬ teil dieser Vorlauf im Einzelfall an dem Gesamtvolumen der umlaufenden Reinigungslösung hat, ist anlagenspezifisch und muß durch Analyse des CSB-Wertes für jede Anlage zunächst experimentell bestimmt werden. Übli¬ cherweise liegt der Anteil des stark CSB-belasteten Vorlaufs, der gemäß Teilschritt b) in einem Recyclingtank aufgefangen wird, bei etwa 1 bis etwa 25 % der gesamten eingesetzten Reinigungslösung.

Der nach dem Vorlauf zurücklaufende Hauptteil der Reinigungslösung wird dem Reinigungslösungs-Behälter zugeführt und gegebenenfalls so lange im Kreis gepumpt, bis der erwünschte Reinigungseffekt erreicht wird.

Teilschritt d) stellt den zweiten erfindungswesentlichen Schritt dar. In diesem wird der mit Produkt belastete und einen erhöhten CSB-Wert aufwei¬ sende Vorlauf, der im Recyclingtank gesammelt wurde, einem Trennverfahren unterworfen. Durch dieses Trennverfahren wird der Vorlauf in ein mit Schmutz angereichertes Konzentrat und ein an Schmutz verarmtes Regenerat aufgetrennt, das noch weitgehend den Säure- bzw. Alkaligehalt der Reini¬ gungslösung aufweist. Hierbei setzt man als Trennverfahren vorzugsweise einen Membranprozeß und insbesondere eine Mikrofiltration, eine Ultrafil¬ tration oder eine Nanofiltration ein. Eine Nanofiltration ist besonders bevorzugt. Bei den verbreitet eingesetzten alkalischen Reinigungslösungen kann man hierfür eine Keramikmembran oder eine alkalistabile organische Polymermembran einsetzen, wie sie beispielsweise von Membrane Products Kyriat Weizmann, Rehovot, Israel vertrieben wird.

Wie weit man durch einen derartigen Membranprozeß den im Recyclingtank gesammelten Vorlauf in ein wiederverwertbares Regenerat (Permeat) und ein zu entsorgendes Retentat aufspalten kann, hängt von der Art und dem Ausmaß der Verschmutzung durch Lebensmittel- bzw. Getränkereste ab. Durch expe¬ rimentelle Laborversuche mit künstlich bereiteten verschmutzten Vorläufen unter Verwendung von Getränken wie beispielsweise Milch oder Bier wurde festgestellt, daß sich unter praxisnahen Verhältnissen etwa ein Anteil von ungefähr 60 bis ungefähr 95 Volumen-% des Vorlaufs als Regenerat gewinnen läßt. Dabei ist das Gesamtverfahren um so wirtschaftlicher, je mehr Rege¬ nerat erhältlich ist.

Das Regenerat, das bei sauren Reinigungslösungen noch weitgehend die Säure und bei alkalischen Reinigungslösungen noch weitgehend die Alkalität ent¬ hält, wird in den Reinigunslösungs-Behälter überführt. Da jedoch ein Teil der Säure bzw. der Alkalität durch chemischen Verbrauch oder durch Zu¬ rückhaltung im Retentat verloren geht und da weiterhin Additive wie bei¬ spielsweise Tenside oder Entschäumer im Retentat zurückgehalten werden, ist es von Zeit zu Zeit erforderlich, die verbrauchten bzw. ausgetragenen Wirksubstanzen zu ersetzen. Am einfachsten kann dies dadurch geschehen, daß man als Steuerparameter für die Nachdosierung die elektrische Leit¬ fähigkeit der Reinigungslösung wählt und bei Unterschreiten einer ge¬ setzten Mindestgrenze ein Wirkstoffkonzentrat aus einem Vorratsbehälter automatisch nachdosiert.

Das an Schmutz angereicherte Konzentrat, dessen Feststoffgehalt bei¬ spielsweise im Bereich von etwa 25 bis etwa 35 Gew.-% liegen kann, wird vorzugsweise getrennt entsorgt, beispielsweise durch Verbrennen oder durch biologischen Abbau, beispielsweise in einem Faulturm. Natürlich könnte das Konzentrat auch dem normalen Betriebsabwasser zugegeben werden, jedoch ist dies aus ökologischen Gründen weniger bevorzugt.

Es ist in der Regel nicht erforderlich, die Temperatur der im Recyclingtank gesammelten schmutzbelasteten Reinigunslösung für den Trennprozeß auf einen bestimmten Wert einzustellen. Vielmehr kann dieje¬ nige Temperatur beibehalten werden, die bei der speziellen Anlage im Rei¬ nigungskreislauf aufrechterhalten wird. Bei Anlagen zur MiIchverarbeitung

liegt diese Temperatur üblicherweise deutlich oberhalb Zimmertemperatur und kann beispielsweise im Bereich zwischen etwa 50 und etwa 80 °C liegen, bei der Reinigung von Milcherhitzern aber auch 90 °C überschreiten. Bei der Reinigung von Anlagen im Brauereiwesen sind dagegen Temperaturen im Bereich der Zimmertemperatur ausreichend. Um keinen zusätzlichen energe¬ tischen Aufwand zu treiben, führt man den im Recyclingtank gesammelten Vorlauf bei dessen jeweils aktueller Temperatur dem Trennprozeß zu.

Auch wenn durch den vorstehend beschriebenen Prozeß die Reinigungslösung weitgehend regeneriert wird, so wird jedoch ein sehr kleiner Volumenanteil als schmutzbelastetes Retentat ausgetragen. Die Ergänzung des hierbei auftretenden Verlusts erfolgt vorzugsweise während des nächsten Schrittes des gesamten Reinigungsprozesses: Nach der eigentlichen Reinigung und der Rückführung der Reinigungslösung in den Reinigungslösungs-Behälter erfolgt eine Nachspülung der Anlage mit Frischwasser, um verbliebene Reste der Reinigungslösung auszuspülen. Der erste aus der Anlage zurücklaufende Teil des Spülwassers enthält dann den Hauptteil der in der Anlage verbliebenen Reinigungslösung. Man führt nun einen so großen Anteil des ersten zurück¬ laufenden Spülwassers in den Reinigungslösungstank zurück, daß der durch die Abtrennung des Schmutzes verlorengegangene Volumenanteil ersetzt wird. Da dieser erste Spülwasseranteil noch Wirksubstanzen der Reinigerlösung enthält, ist dieses Vorgehen wirtschaftlicher, als den Volumenverlust mit frischer Reinigungslösung auszugleichen.

Das erfindungsgemäße Verfahren weist demnach gegenüber den bisherigen Verfahren folgende Vorteile auf:

Eine getrennte Vorspülung der Anlage entfällt, so daß kein zu entsorgendes Spülwasser anfällt und außerdem Zeit und Energie eingespart werden.

Es wird nur ein kleiner Anteil der eigentlichen Reinigungslösung ("Vor¬ lauf") einem Trennprozeß unterworfen, so daß die Trennanlage kleiner di¬ mensioniert sein und mit einem verringerten Energieaufwand betrieben wer¬ den kann, als wenn man die gesamte Reinigungslösung aufarbeiten würde.

Der Reste der Reinigungslösung enthaltende erste Spülwasseranteil wird der Reinigungslösung wieder zugegeben, so daß die Wirkstoffe erneut eingesetzt werden. Der Rest des Spülwassers ist nur wenig verunreinigt und kann problemlos in die Kanalisation gegeben, bei Wunsch jedoch auch weiter aufbereitet werden.

Eine Lagerung des Spülwassers zur nachfolgenden Verwendung als Vorspüllö¬ sung entfällt, so daß sich keine Gefahr ergibt, daß sich Mikroorganismen anreichern und an die Wirkstoffe adaptieren könnten.

Durch eine direkte Entsorgung des hoch schmutzbelasteten Retentats aus der Auftrennung des Vorlaufs, beispielsweise durch Verbrennen oder Faulung in einem Faulturm, wird die Abwasserbelastung deutlich verringert.

Gegenüber dem konventionellen Verfahren, bei dem die Nachspüllösung im nächsten Schritt zur Vorspülung eingesetzt wird, wird weiterhin die Gefahr einer mikrobiologischen Verunreinigung verringert. Gegenüber älteren Ver¬ fahren, die zur Vorspülung der Anlage direkt Frischwasser einsetzen, führt der erfindungsgemäße Prozeß zu einer vollständigen Einsparung dieses Vor¬ spülwassers.

Die Standzeit der Reinigungslösung kann dadurch verlängert werden, daß man während längerer Stillstandszeiten, beispielsweise am Wochenende, die ge¬ samte Reinigungslösung dem Trennprozeß unterwirft, dessen Kapazität wäh¬ rend normaler Betriebszeiten nur zur Auftrennung des Vorlaufs ausreichen muß.

Nachstehend wird der Trennschritt d) beispielhaft erläutert:

In Laborversuchen wurde die Wirkung einer Nanofiltration auf praxisnah simulierte Vorläufe von Reinigungslösungen untersucht. Hierfür wurde eine kommerziell erhältliche Nanofiltrationsmembran auf Basis organischer Po¬ lymere (Lieferant: Membrane Products Kyriat Weizmann, Rehovot, Israel) eingesetzt.

In einem ersten Versuch wurde ein Vorlauf einer Milcherhitzer-Reinigung simuliert. Hierzu wurden 11,6 kg Vollmilchpulver (26 Gew-% Fett in Trok- kenmasse) und 3 kg 50 Gew.-%ige Natronlauge mit Wasser zu 100 kg aufge¬ füllt. Diese Lösung wurde bei 65 °C unter Rühren für eine Zeitdauer von 4 Stunden verseift. Danach wurde mit Wasser im VolumenVerhältnis 1 : 1 ver¬ dünnt. Der Laugengehalt wurde anschließend durch Titrieren bestimmt und durch Zugabe von Natronlauge auf eine Na(0H)-Gehalt von 1,5 Gew-% einge¬ stellt.

Die Lösung wurde bei einer Temperatur von 60 °C durch die Nanofiltrati- onsmembran filtriert. Innerhalb der ersten 25 Stunden fiel der Membranfluß von 22 Litern pro Stunde und Quadratmeter (L/hm ² ) auf 10 L/hm ² , der CSB- Wert des Retentats stieg von 80000 auf 150000, das Permeat wies nach 25 Stunden einen CSB-Wert von 10000 auf. Auf der Retentatseite wurde frische Lösung zugegeben, wodurch der CSB-Wert im Retentat abnahm und der Mem¬ branfluß anstieg. Der Versuch wurde für weitere 150 Stunden durchgeführt, wobei vier mal nach jeweils 25 Stunden frische Lösung auf der Retentatseite zugegeben wurde. Nach einer Laufzeit von insgesamt 175 Stunden war der CSB-Wert des Retentats auf 380 000 angestiegen. Der CSB- Wert des Permeats lag bei 50000.

In einem zweiten Versuch wurden 2,5 kg Vollmilch (Fettgehalt 3,5 Gew.-%) mit 5 kg Wasser und 840 g 50 Gew.-5ige Natronlauge versetzt und bei 80 °C vier Stunden lang gerührt. Danach wurde mit Wasser auf 40 L aufgefüllt. Die Lösung wurde mit 200g Dinatrium-Ethylendiamintetraacetat versetzt. Die Lösung wies einen CSB-Wert von 10 000 auf. Sie wurde mit einer Temperatur im Bereich zwischen 50 und 65 °C über die Nanofiltrationsmembran gefahren.

Bei einer Temperatur von 50 °C zu Beginn der Filtration betrug der Mem¬ branfluß 30 L/hm ² , das Permeat hatte einen CSB-Wert von etwa 300. Inner¬ halb der ersten zehn Stunden Filtrationszeit wurde die Temperatur der Lö¬ sung auf 65 °C erhöht. Der Membranfluß stieg dabei auf 40 L/hm ² . Die Tem¬ peratur wurde auf 60 °C abgesenkt und auf diesem Wert für den weiteren Verlauf des Versuchs gehalten. Während einer Filtrationszeit von insgesamt 70 Stunden stieg der CSB-Wert des Retentats auf 30 000. Der CSB-Wert des

Permeats lag bei 1000. Der Membranfluß betrug bei Versuchsabbruch 25 L/hm ² .