Gute Reinigbarkeit, hohe Genauigkeit und kurze Reaktionszeiten der Prozessmesstechnik sind Voraussetzung für eine zuverlässige und sichere Steuerung der Produktionsprozesse in der Lebensmittelindustrie. Das gilt insbesondere auch für die Temperaturmesstechnik: Die Temperatur des Mediums ist in vielen Anwendungen in der Lebensmittel- und Getränkeindustrie der wichtigste Parameter für die Steuerung. So zum Beispiel in der Schokoladenproduktion bei der Verarbeitung der Schokoladenmasse zum Endprodukt: Die Schokolade wird gerührt und in einem Conche-Tank auf ca. 90 °C erhitzt. Die Conche ist ein Behälter mit rotierenden Messern (Armen), die sich im Kreis bewegen und die Schokoladenmasse durch Reibungswärme im flüssigen Zustand halten. Durch Rühren und Erhitzen wird das Fett freigesetzt und homogen verteilt, sodass eine weiche, flüssigkeitsartige, aromatisierte Masse entsteht.
Durch den Sauerstoff und die Wärme wird der Masse Feuchtigkeit entzogen, sodass der Feuchtigkeitsgehalt in der Schokolade auf unter 1 % sinkt. Unerwünschte Gerüche und Düfte (z. B. Acetaldehyd, Aceton, Butanol, Ethanol, Propanol, Ethylacetat, Methanol, Diacethyl) werden abgeleitet. Die anschließende Temperierung oder Vorkristallisierung dient der Schaffung einer ansprechenden Oberfläche, eines festen Bruchs und der weiteren Verarbeitung zur Optimierung der gewünschten Eigenschaften der Schokolade.
Das Temperieren erfolgt in einem Behälter, der die Schokoladenmasse auf unter 29 °C abkühlt und dann je nach Schokoladensorte erneut auf 30 oder 32 °C erwärmt. Abschließend wird die Schokolade in ihre endgültige Form gegossen, gekühlt und verpackt.
Optimiertes Pt100-Sensorelement
Für die Instrumentierung dieser Prozessschritte bietet der Messtechnikspezialist Krohne entsprechend geeignete Geräte zur Temperatur-, Füllstand- und Durchflussmessung, wie z. B. Geradrohr-Coriolis-Durchflussmessgeräte zur Messung des Massedurchflusses oder berührungslos messende 80-GHz-Radar-Füllstandmessgeräte mit frontbündiger, hygienischer Linsenantenne zur Füllstandüberwachung der flüssigen Schokolade im Tank. Im Fokus steht bei dieser Anwendung jedoch die Überwachung der Temperatur: Für eine exakte Steuerung der Produktion und eine gleichbleibende Produktqualität bedarf es hygienischer Temperaturfühler, die sowohl schnell ansprechen als auch sehr genau messen.
Genau für solche Anwendungen hat Krohne 2020 eine neue Familie von hygienischen Temperaturfühlern vorgestellt: das Kernstück der neuen Optitemp-TRA-H6x/ TRA-C6x-Fühler ist das optimierte Pt100-Sensorelement mit einer reduzierten Spitze. Durch seinen besonderen Aufbau und den direkten Kontakt mit dem Messstoff erreichen die Messgeräte sowohl eine kurze Ansprechzeit als auch einen deutlich geringeren Wärmeableitfehler. Dies führt bei kleinen Nennweiten und kurzen Einbaulängen zu einer messbaren Genauigkeitsverbesserung.
Konfigurieren via App
Alle Fühler werden in Standard- und Kompaktausführung geliefert, wahlweise mit oder ohne Transmitter. Bei den Transmittern gibt es eine große Auswahl von einfachen 4…20-mA-Ausführungen bis hin zu komplexen eigensicheren und SIL-zertifizierten Hart-Transmittern. Als Alternative zur gängigen Kabelverschraubung ist ein M12-Stecker erhältlich. Einige Transmitter sind bereits mit Bluetooth oder NFC ausgestattet, d. h. das Konfigurieren, Überwachen und Verifizieren kann drahtlos mit dem Smartphone erfolgen. Die passende Smartphone-App Opticheck Temperature Mobile ist kostenlos in den gängigen App-Stores verfügbar.
Als Prozessanschlussoption steht unter anderem ein modulares adaptives System basierend auf einem G½-Hygiene-Prozessanschluss bereit. Um die aktuellen EHEDG-Anforderungen an hygienische Dichtungen im Prozess zu erfüllen, hat Krohne eine austauschbare Peek-Dichtung entworfen: Sie wird zwischen Fühler und Adapter eingesetzt. Diese Verbindung lässt sich ohne Dichtheitsverlust beliebig oft öffnen und schließen, wenn bei jeder Öffnung die Dichtung mitgetauscht wird. Das ist ein Vorteil gegenüber einer Stahl-auf-Stahl-Verbindung, die nicht mehr EHEDG-konform ist. Wenn der Fühler beispielsweise für eine Rekalibrierung ausgebaut wird, braucht nur die Peek-Dichtung ersetzt werden und nicht mehr der ganze Fühler, um die Dichtung zu gewährleisten.
Mit verschiedenen Adaptern können die Fühler in sehr viele hygienische Prozessanschlüsse eingeschraubt werden. Somit können alle hygienischen Anforderungen erfüllt und sehr viele Prozessanschlüsse mit demselben Gerätetyp realisiert werden – das spart Kosten.
Einsatz in Nebenprozessen
Neben den hygienischen Produktionsprozessen gibt es auch nicht-hygienische Nebenprozesse in der Lebensmittel- und Getränkeindustrie, die sogenannten Hilfs- und Versorgungsprozesse. Auch hier spielt Temperaturmessung eine wichtige Rolle, z. B. bei der Energiebilanzierung mithilfe der Wärmemengenmessung: Die interne Energiebilanzierung ist für viele Betriebe ein wichtiges Instrument zur Bestimmung der maßgeblichen Verbraucher innerhalb des Produktionsprozesses. Häufig werden die notwendigen Energien zur Verfügung gestellt, ohne genaue Kenntnis darüber zu haben, wo und in welcher Menge diese Medien benötigt werden.
Dabei ist eine Ermittlung des tatsächlichen Energiebedarfs gar nicht so aufwendig, wie das Beispiel einer Brauerei zeigt: Aufgabe war die Messung des Verbrauchs der Wärmemenge einzelner Produktionsbereiche. Neben Heizwasser ist Dampf einer der am häufigsten verwendeten Energieträger in Anlagen zur Bier- und Mischgetränkeherstellung. Alle wichtigen Produktionsprozesse wie Brauen, Pasteurisieren, Sterilisieren, Waschen oder Reinigen werden durch Dampf oder Heizwasser unterstützt. Die Bereitstellung ist jedoch energieintensiv, die Befeuerung der Kessel erfolgt meist mit fossilen flüssigen Brennstoffen oder Erdgas. Entsprechend ist eine genaue Messung der produzierten Mengen essentiell für eine optimierte Steuerung der Brenner und einen wirtschaftlichen und umweltfreundlichen Betrieb der Anlage.
Die Brauerei verfügt über zwei voneinander getrennte Heizkreisläufe mit folgenden Bedingungen: Kreislauf 1 fördert Heizwasser mit 160 °C bei 14 bar, Kreislauf 2 fördert Warmwasser mit 90 °C bei 6 bar. Zur Bestimmung der verbrauchten Wärmemenge pro Verbraucher (z. B. die Kastenwaschanlage) muss neben dem Durchfluss des Heizwassers die Temperaturdifferenz vor und nach dem Verbraucher gemessen werden. Ziel ist die Ermittlung des Einzel- und Gesamtbedarfs an Heizwasser, die dann als Kosten den einzelnen Abnehmern zugewiesen werden können.
Messstelle aus einer Hand
Der Anlagenbetreiber suchte für diese Messaufgaben einen Lieferanten, der die komplette Messtechniklösung aus einer Hand anbieten konnte. Krohne lieferte 16 komplette Messstellen, jeweils bestehend aus einem Durchflussmessgerät und zwei hochgenauen Optitemp-Temperatursensoren, die für eine kleinstmögliche Abweichung paarweise kalibriert und geliefert werden.
Ein Energierechner gibt die momentan verbrauchte Wärmemenge sowie den aufsummierten Verbrauch in Kilojoule oder Kilokalorien pro Zeit aus. Mit der neu installierten Messtechnik kann die Brauerei ihre Hilfs- und Versorgungsprozesse optimal überwachen und steuern. Durch die Positionierung der Messstellen können Verbräuche und damit Kosten den einzelnen Teilbereichen oder Segmenten zugeordnet werden. Die Messdaten ermöglichen zudem die Detektion von Wärme- und Durchflussmengen-Verlusten in den Kreisläufen. Für die einzelnen Komponenten können Verbrauchsprofile erstellt werden, dadurch kann die bereitgestellte Menge je nach Bedarf gesteuert werden.
Fazit
Die Temperaturmessung ist als Standardmessung in vielen Prozessen in der Lebensmittel- und Getränkeindustrie zu Hause. Je nach Anwendung kann der passende Fühler aus einem breiten Angebot individuell ausgewählt werden. Für hygienische Prozessanwendungen, bei denen die Temperatur des Mediums der wichtigste Parameter für die Steuerung ist, sind schnell ansprechende und genaue Fühler die erste Wahl. Für Hilfs- und Versorgungsprozesse stehen einfachere Sensoren zur Auswahl, die wiederum für besondere Anwendungen wie z. B. eine Wärmemengenmessung auch paarweise kalibriert geliefert werden können.
Halle 4A, Stand 441
Krohne Messtechnik GmbH, Duisburg
Autor: Bernd Schumacher
Technical Industry Manager, Global Industry Division Food & Beverage,
Krohne
Online-Demo: Temperaturmesstechnik
In der Lebensmittelindustrie gelten hohe Anforderungen an die Messtechnik. Reinigbarkeit und kurze Reaktionszeiten sind für die Temperaturüberwachung in Tanks und Leitungen und eine sichere und zuverlässige Steuerung der Produktionsprozesse maßgeblich. Eine präzise Messung muss auch bei kleinen Nennweiten und Medien mit einer hohen Viskosität oder eventuell enthaltenen Feststoffen gegeben sein.
Im Rahmen einer Online-Veranstaltung am 8. Dezember 2021 auf prozesstechnik-online.de/webinare lernen die Teilnehmer die unterschiedlichen Vorteile und Einsatzbereiche der speziell auf die Lebensmittel- und Getränkeindustrie zugeschnittenen Temperaturfühler kennen. Anhand praktischer Modelle stellt Krohne im Rahmen einer Online-Live-Demonstration unter Beweis, wie sich die Beschaffenheit der Sensoren, Prozessadapter und Dichtungen auf die Messung auswirkt. Im Anschluss an die Online-Vorführung stehen die Branchenexperten von Krohne in einer Live-Fragerunde Rede und Antwort.
