Trotz Wärmerückgewinnung - Energieeinsparungen in der Milchverarbeitung realisierbar

Aktualisiert: Juni 23


Die Sprühtrocknung ist bekanntlich das mit Abstand gängigste Verfahren in der Milch- und Molkeverarbeitung. Der Haken daran ist der Energieaufwand. Mit der Verknüpfung von Energieströmen und der Nutzung der Abwärme durch Wärmerückgewinnung konnten zwar viele Betriebe die Energieeffizienz steigern. Trotzdem besteht aber weiterhin eine Kluft zwischen zusätzlichen Effizienzmöglichkeiten und den umgesetzten Energieeinsparungen.


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Trocknen gehört zu den ältesten Konservierungsmethoden für Lebensmittel. Durch den Entzug von Feuchtigkeit nimmt die Wasseraktivität in Lebensmitteln ab, welches das Wachstum vegetativer mikrobieller Zellen verzögert und die Bildung von Keimen, Schimmelpilzen und Bakterien verhindert. Bei der Umwandlung von Flüssigkeit in trockenes Pulver wird dem Lebensmittel beinahe die komplette Feuchtigkeit entzogen. In Konzentrat- oder Pulverform sind Produkte dank des tiefen Wassergehalts nicht nur gut haltbar, sondern auch besser transportier- und lagerfähig.


Milch- und Futtermittelprodukte sind jedoch wärmeempfindlich. Ihre funktionellen Eigenschaften und die Verdaulichkeit können durch den Einfluss der Wärmebehandlung nach der Wasserabtrennung ernsthaft beeinträchtigt werden. Es ist daher offensichtlich, dass ein einzelner Wasserentfernungsprozess während des gesamten Dehydrierungsprozesses keine optimale Leistung erbringen kann. Je nach Produkt werden deshalb mehrere, aufeinanderfolgende Prozessschritte angewendet. In der Milch- und Futtermittelverarbeitung werden hauptsächlich zwei Verfahren zur Wasserentfernung eingesetzt:


  • Vakuumverdampfung: Hierbei wird die Flüssigkeit aus dem Lebensmittel abgetrennt und eine niedrigviskose Flüssigkeit wie z.B. Milch in ein relativ hochviskoses Konzentrat umgewandelt.

  • Sprühtrocknung (SD): Um dieses Konzentrat in Pulver umzuwandeln, werden kleine Tröpfchen in einen heißen Luftstrom gesprüht.

Die Walzentrocknung, in der das Milchkonzentrat in einer dünnen Schicht auf sich drehende Trocknungswalzen aufgetragen wird, ist ein weiteres Verfahren, das beispielsweise für die Schokoladenherstellung eingesetzt wird.

Energiehungrige Anlagen

Mit den Pasteurisierungsanlagen, Homogenisatoren, Pumpen und Kompressoren gehören die Vakuumverdampfungs- und Sprühtrocknungsanlagen zu den grössten Energiefressern in der Molkerei. So wird für die Verdampfung von 1 Kilogramm Feuchtigkeit eines Produkts rund 1,1 Kilogramm erzeugter Primärdampf benötigt. Experten zufolge sind die Energiekosten dafür rund 2’700 kJ*kg-1.


Um die Energieeinsparpotenziale in den Milchverarbeitungsprozessen komplett auszuschöpfen, ist es notwendig, Informationen über den Energieverbrauch zu jedem Produkt zu erhalten, die von seinen physikalisch-chemischen Eigenschaften, der verwendeten Technologie und den Aussenbedingungen abhängen.


Energie-Auslastung und Spitzenverbrauch

Versorgungsunternehmen bevorzugen Kunden mit konstanten, hohen Auslastungen (load factor). Haben diese ein plötzliches Spitzenaufkommen, so müssen die Versorger Energie auf Standby halten, um den unverhofften Bedarf decken zu können. Die Versorgungskunden werden für solche Spitzen normalerweise mit höheren Tarifen „bestraft“. 


Energieeffizienz erfordert einen strukturierten und beharrlichen Ansatz

Bei der Optimierung der Energieeffizienz geht es zunächst darum, die Grundlagen dafür zu schaffen. Offensichtliche Probleme sollten unmittelbar beseitigt und brachliegende Einsparpotenziale aufgedeckt werden. Mit Blindleistungskondensation, Isolationsmaterialien, neuen energieeffizienteren Geräten und regelbaren, elektrischen Antriebssystemen können erste Ergebnisse gezielt werden.


Monitoring und laufende Effizienzanalysen helfen, die Einsparungen aufrechtzuerhalten 

Zur Schaffung der erforderlichen Transparenz bietet SolutionSync eine IoT-basierte Energiemonitoring- und Visualisierungs-Lösung an, die den Verbrauch von Strom, Gas und Dampf (kW), bezogen auf den Durchsatz (To.), den Betriebszustand der Anlage, (z.B. Standby, Produktion, Wasser, CIP), die Aussenbedingungen, das Produkt sowie die Arbeitsschicht in Form eines Zeitstrahls in einem attraktiven Dashboard anzeigt - und zwar in Realzeit.


Komplexe Anlagen, wie in der Milchverarbeitung üblich, erfordern die besten Daten Connectivity-Spezialisten, die nicht nur einen Erfahrungsschatz aus der Molkerei-Branche mitbringen, sondern robuste, sichere und zuverlässige Lösungen liefern.


Das System wird betriebsbereit in einem bestückten Edelstahlschrank bereitgestellt. Der Betriebselektriker muss lediglich die Datenerfassungsgeräte anbringen.



Datenerfassung

Die Rohdaten werden im Idealfall von den Steuerungen über den Open Platform Communication (OPC) erfasst, andernfalls werden industrietaugliche, sichere, intelligente, drahtgebundene oder drahtlose Sensoren eingesetzt. In Anlagennähe werden die gesammelten Daten zunächst in einer Zeitreihendatenbank aufbewahrt und vorverarbeitet und anschliessend in der cloudfähigen Analyse-Software durch ausgefeilte KI und maschinellem Lernen entweder lokal oder in der Cloud weiterverarbeitet und ausgewertet.


Was macht ein gutes Los (Batch) aus?

Neben der Überwachung des Energieverbrauchs werden die erfassten Daten für eine Vielzahl von zusätzlichen Aufgaben analysiert. Zum Beispiel zur Erforschung der beeinflussenden Parameter auf die Produktqualität, auf das Los, zur Vermeidung von Verschwendung, zur frühzeitigen Meldung von Störungen im Prozess und zur Ursachen-Analyse von ungeplanten Anlagen-Ausfällen. Dank der offenen Schnittstelle können Kontext-Daten aus ERP- und anderen Systemen in die Analyse und Visualisierung integriert werden. 


5-10 Prozent Energiekostensenkung trotz Energierückgewinnung 

Mit dieser lückenlosen Transparenz konnte z.B. ein namhafter Babynahrungs-Produzent -trotz Energierückgewinnung- seine Energiekosten um jährlich zwischen 5 und 10% senken. Erreicht wurde dies durch die stets optimale, bedarfsorientierte Bereitstellung der Energie in Abstimmung mit den Prozessschritten der Sprühtrocknungs-Anlage und der Reduzierung von Energieverlusten. Die Erkenntnisse aus den gewonnen und visualisierten Messdaten haben dafür gesorgt, dass das Management zielführende Sparmassnahmen umsetzen konnte. Die Realzeit-Dashboards in den Produktionsräumen haben zudem das Verantwortungsbewusstsein der Arbeitenden gefestigt.

Einsparungen können schnell wieder eingeholt werden

Ungeplante, unkontrollierte Ausfälle der Anlagen und Geräte oder mangelnde Überwachung von Motoren und Geräten können Einsparungen schnell wieder zunichte machen.


Ohne Energie- und Zustandsüberwachung von Geräten, so berechnet Topmotor.ch, können bis zu 12% der Einsparungen verloren gehen.

Gerätedaten werden in handlungsfähigen Echtzeit-Informationen angezeigt.


Fotos: Brian Robinson ✝︎; Smart Factory, Limerick; SolutionSync




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