Polyester (PET: Polyethylenterephthalat) ist ein sogenanntes Kondensationspolymer. Es besteht aus den Monomeren Terephthalsäure und Ethylenglykol. Wenn diese Monomere bei der Polymerisation miteinander reagieren, wird Wasser abgespalten. Die Rückreaktion ist die hydrolytische Spaltung, die zu einer Schädigung des Materials führen und damit die Standzeit erheblich mindern kann.
In einer CIP-gereinigten Filteranlage nach einem Sprühtrockner gibt es mindestens vier Einflussfaktoren, die die Hydrolyse von Filterelementen aus Polyester begünstigen, nämlich Wasserdampf bei hoher Temperatur, Basen (alkalische Lösungen), Säuren und Lipasen.
Schädigung von Polyester
Heißer Wasserdampf kann bereits ohne Gegenwart anderer Chemikalien zu einer Schädigung von Polyester führen. Nach der Reaktionsgeschwindigkeits-Temperatur-Regel verdoppelt sich üblicherweise die Geschwindigkeit einer Reaktion bei einer Erhöhung der Temperatur um 10 K. In einer Untersuchung wurde beispielsweise beobachtet, dass bei einer Kontaktzeit von drei Wochen und 70 °C keine Abnahme der Festigkeit zu beobachten war. Erhöhte man die Temperatur auf 100 °C, reduzierte sich die Festigkeit im gleichen Zeitraum um 60 %.
Bei einer CIP-Reinigung werden in der Regel Basen und Säuren eingesetzt, um die gewünschte Reinigungsleistung inklusive einer Minderung der mikrobiologischen Belastung zu erzielen. Basen dienen unter anderem dazu, wasserunlösliche Fette zu verseifen und damit in ihre wasserlöslichen Bestandteile, Alkohole und Fettsäuren, aufzuspalten. Säuren werden verwendet, um Milchstein sowie andere mineralische Ablagerungen und verkrustete Proteine zu entfernen. Beide greifen dabei in die Struktur des Polyesters ein und verringern seine Festigkeit.
In der Literatur wird außerdem noch eine katalytische Spaltung des Polyesters durch Lipasen beschrieben. Sie sind in der Milch natürlicherweise vorhanden bzw. werden durch Mikroorganismen produziert und eingetragen. Im Sprühtrockner ist die Inaktivierung nicht immer vollständig. So wie Lipasen die Aufspaltung von Fetten in Glycerin und Fettsäuren katalysieren, können sie auch Polyester in die Monomere trennen.
Schwächung des Materials
Ergebnis dieser Aufspaltung des Polyesters ist eine Schwächung des Materials, die sich durch sekundäre mechanische Schädigung äußern kann. Ausschließlich mechanisch bedingte Schäden, etwa durch abrasive Partikel, können von chemisch verursachten Schäden durch
Laboruntersuchungen mittels Differential Scanning Calorimetry oder durch Messung der Reißfestigkeit unterschieden werden. Die Messmethoden beruhen darauf, dass die chemische Schädigung zu einer Verringerung der Kettenlänge führt, was wiederum eine Senkung des Schmelzpunktes oder eine Abnahme der Reißkraft bewirkt. Bei diesen Messungen sollten Proben außerhalb eines erkennbaren Schadensbereiches genommen werden.
Chemisch verursachte Schäden sind durch physikalisch hervorgerufene optisch nicht zu unterscheiden, da der sekundär auftretende mechanische Schaden letztendlich zum Ausfall führt. Die chemische Schädigung wird durch die normale mechanische Belastung (Anströmung, Abreinigung durch Druckluftstoß) während des Betriebes einer Filteranlage offensichtlich.
Praxisbewährte Alternativen
Alternativ zu Polyester stehen chemisch beständigere Werkstoffe für die Herstellung von Filterelementen zur Verfügung. Polyphenylensulfid (PPS) beispielsweise wird aus den Monomeren 1,4-Dichlorbenzol und Natriumsulfid in einem nichtwässrigen Lösungsmittel hergestellt. Eine Rückreaktion in Wasser findet nicht statt. Das bedeutet, dass PPS unter CIP-Bedingungen chemisch nicht angegriffen wird. Dadurch bleiben die Fasern und der Faserverbund intakt und die Standzeit kann deutlich erhöht werden. Erste Auswertungen von Praxisversuchen zeigten, dass nach einem Jahr die Reißfestigkeit dem Neuwert entsprach und keine Schäden zu beobachten waren. Außerdem beträgt die maximale Betriebstemperatur von PPS (trocken) 180 °C. Das bietet damit die Möglichkeit, den Trockner bei höherer Temperatur zu betreiben.
Lebensmittelkonformität
Beim Umstieg auf chemisch beständigere Filtermedien muss man nicht auf die notwendige Lebensmittelkonformität verzichten. Lebensmittelkonforme Filtermedien aus Niedrig- oder Hochtemperaturfasern werden auf die Anwendung maßgeschneidert. Sie können bis zu einer Betriebstemperatur von 250 °C eingesetzt werden.
Zur Erhöhung der Produktsicherheit dürfen innerhalb der EU nur noch solche Kunststoffe bei der Verarbeitung von Milch und Milchprodukten verwendet werden, die den strengen Forderungen der relevanten EU-Verordnungen nachkommen. Kunden im nichteuropäischen Ausland richten sich unter Umständen nach den Direktiven der Food and Drug Administration (FDA). In beiden Rechtsräumen muss sichergestellt werden, dass ausschließlich positiv-gelistete Monomere und Hilfsstoffe verwendet werden und die Migrations- bzw. Extraktionswerte unterhalb der gesetzlich festgelegten Grenzwerte liegen. Durch die Verwendung geeigneter Vormaterialien und GMP-konformer Produktionsmethoden gelingt es, sowohl EU- als auch FDA-konforme Filtermedien und -elemente herzustellen.
Die kombinierten Eigenschaften von chemisch/thermischer Beständigkeit und lebensmittelkonformer Ausführung ermöglichen demnach den Ersatz von Polyester-Filtermedien, die durch CIP-Reinigung geschädigt werden können.
Halle 4, Stand 219
www.prozesstechnik-online.de
Suchwort: dei0917heimbach
Dr. Bert Gilleßen
Leiter Produktentwicklung,
Heimbach Filtration
Peter Lohse
Produktentwicklung,
Heimbach Filtration
