Sichere pH-Messung direkt am Fermenter

Der Erwerb der Lizenz zur Verarbeitung von Biomilch stellte für die Molkerei Biedermann AG 1989 den größten Entwicklungsschritt in der Unternehmensgeschichte dar. Damit schuf Pius Biedermann die Basis, den in jungen Jahren vom Vater übernommenen Betrieb, im Herbst 2000 durch grundlegende Modernisierung von Produktion und Betriebsstrukturen auszubauen. Das nach dem Eintritt in seinen Ruhestand Anfang 2011 vollständig zu Emmi gehörende Unternehmen aus dem Thurgau ist mit seinen Premium-Bioprodukten der europäischen Konkurrenz stets einen Schritt voraus. Das unterstreicht unter anderem die DLG-Prämierung des innovativen Produktes „Bio-Lassi“, einem Frucht-/Milchgetränk nach indischer Rezeptur. Die Produktpalette erstreckt sich weiter über Trinkmilch, Rahm, Joghurt, Quark bis hin zur Butter. Beliefert werden fast alle Retailer in der Schweiz, der Biofachhandel im EU-Raum, sowie eine Anzahl namhafter Industriekunden.

Einer dieser Industriekunden ist die Bioforce AG aus Roggwil. Für sie produziert die Molkerei Biedermann das fermentierte Milchserum-Konzentrat Molkosan. Die milchsaure Fermentation wird mit einer für Bioforce weltweit exklusiv lizenzierten Lactobacillus-Kultur durchgeführt, die einen sehr hohen Gehalt der physiologisch wertvollen L(+)-Milchsäure produziert. Das Ausgangsprodukt für die Fermentation wird aus frischer Ostschweizer Biomilch mittels Ultrafiltration gewonnen und enthält kein Eiweiß und Fett. Lediglich die wasserlöslichen Bestandteile der Milch sind im Milchserum enthalten: Mineralstoffe, Vitamine und Laktose. Während der Fermentation wird die Laktose zu Milchsäure vergoren, wodurch der pH-Wert absinkt. Um die mikrobielle Umsetzungsrate im optimalen pH-Bereich zu halten, wird der pH-Wert zyklisch durch Laugenzu- gabe über Dosierpumpen automatisch nach oben korrigiert. So bewegt sich der Prozess zwischen pH 5.8 und 6.2. Die Laktose ist nach 36 Stunden vollständig verstoffwechselt, ca. 150 mal muss in dieser Zeit der pH-Wert angehoben werden. Solch einen Prozess durch eine pH-Messung im Labor nach Probenahme zu steuern ist nicht möglich. Daher waren von Anfang an beide 10 000-l-Fermentationstanks mit einer Inline-pH-Messung ausgerüstet. Zuerst arbeitete man mit herkömmlichen pH-Glaselektroden, die regelmäßig kalibriert und gelegentlich konditioniert werden mussten. Für das Produktionspersonal war dieses ohne Kenntnisse über instrumentelle Analytik eine problematische Angelegenheit, dazu kam noch die Gefahr, dass die Glaselektroden beim Ein- und Ausbau zerbrechen können. Daher suchte Fredi Städler, Leiter Molkereitechnik, eine wartungsarme Lösung.

Für viele messtechnische Aufgabenstellungen hatte Biedermann bereits mit Endress+Hauser sehr gute Lösungen erarbeitet und so wandte man sich auch in diesem Fall an den zuständigen Vertriebsmitarbeiter. Zu dieser Zeit nahm Endress+Hauser die Messsonde „pH Reiner“ von Pfaudler in ihr Produktprogramm mit auf und bietet diese in Kombination mit der selbst entwickelten Memosens-Technologie als Ceramax CPS341D an. Damit war die Lösung gefunden.

Diese pH-Elektrode besteht aus einem vollständig emaillierten Edelstahlschaft. Die blaue Emaille dient als Schutzschicht, die gelbe Emaille-Schicht hingegen ist pH-sensitiv. Ihre Messoberfläche ist im Vergleich zur Glaselektrode mehr als doppelt so groß und erfasst den pH-Wert hochgenau und zeitaktuell. Die pH-Elektrode weißt eine sehr hohe mechanische Stabilität gegen turbulente Strömungen und Druckschläge auf. Die glatte Emaille-Oberfläche verhindert Produktablagerungen und ist selbstreinigend. Der Sensor ist EHEDG-zertifiziert und CIP- und SIP-fähig.

Mit der Memosens-Technologie ausgestattet, steht nun eine digitale pH-Elektrode zur Verfügung. Der kontaktlosen Steckverbindung zwischen Elektrode und Messumformer kann auch Feuchtigkeit, wie sie in der Molkerei besonders durch Kondensation an kalten Tanks und Rohrleitungen auftritt, nichts anhaben. Ein Chip im Elektrodenkopf speichert rückverfolgbar alle Messstellen- und Kalibrierdaten. Somit ist die Datensicherheit für Messwertübertragung und Qualitätssicherung immer gewährleistet.

Im Herbst 2009 rüstete man beide Fermentationstanks auf die Ceramax CPS314D-Elektroden um. Der Einbau der 12-mm-Elektroden konnte einfach über die Einschweiß-Stutzen mit Überwurfmutter erfolgen. Die Referenz-elektroden beider pH-Messsysteme werden zentral von einem druckbeaufschlagten Edelstahlgefäß mit Elektrolyt versorgt, das neben den beiden Messumformern Liquiline CM42 angebracht ist. Der Elektrolytausfluss ist so minimal, dass seit Inbetriebnahme vor über zwei Jahren der Elektrolyt noch nicht nachgefüllt werden musste. Während den Produktionspausen, die von 12 Stunden bis zu 3 Tage dauern können, verbleibt die Ceramax-Elektrode eingebaut im Tank und steht in dieser Zeit trocken. Auch wesentlich längere Trockenstandzeiten sind für die pH-Elektrode absolut unproblematisch. Das Messsystem wird während des CIP-Prozesses einfach mitgereinigt, der aus den für eine Molkerei üblichen Reinigungsschritten mit Lauge und Säure besteht. Abschließend erfolgt eine Spülung mit +85 °C heißem Wasser, die auch für die Emaille-pH-Elektrode wichtig ist. Damit wird die Regenerationszeit der Emaille beschleunigt und die während des CIP-Prozesses aufgetretene leichte Messabweichung rasch wieder beseitigt. Beide pH-Elektroden mussten in der über zweijährigen Betriebszeit erst ein einziges Mal kalibriert werden. Zusammengefasst, sagt Fredi Städler, habe die Ceramax bei weitem seine Erwartungen bezüglich Wartungsarmut übertroffen. Man kann daher wirklich von einem wartungsfreien pH-Messsystem sprechen.

Mit der Ceramax CPS341D steht der Milch-, Lebensmittel- und Getränkeindustrie eine Lösung zur Verfügung, die aufgrund der Wartungsfreiheit mit den alten Bedenken aufräumt, eine Inline-pH-Messung in der Produktion zu installieren. Neben der hier aufgezeigten Applikation ist das pH-Messsystem in weiteren Molkereien in der Milchannahme, Rahmreifungstanks und Käsestarterkulturen im Einsatz. In der Lebensmittelindustrie sind pH-Messstellen in der Mayonnaise-, Stärke-, Malzextrakt- und Sauerteigproduktion mit der Ceramax ausgerüstet worden. Aber auch in der Brauerei- und Getränkeindustrie konnten pH-Messaufgaben in Würze oder zur Qualitätsüberwachung in der Tafelwasserabfüllung erfolgreich gelöst werden.

Die Vorteile der Emaille-pH-Elektrode liegen neben der Wartungsfreiheit in der hohen mechanischen Stabilität und Unempfindlichkeit gegenüber Trockenstand. In Kombination mit der Memosens-Technologie hat sich diese Inline-pH-Messung in der Praxis bestens bewährt.

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