Fouling und Reinigung

Der Reinigungsvorgang von Prozessanlagen ist ein komplexes Zusammenwirken von Grenzflächeninteraktionen, Stoffübergang, Wärmeübergang, fluidischen Kräften sowie chemischen Reaktionen, welche bis zum heutigen Zeitpunkt nicht vollständig verstanden ist. Ziel des Forschungsvorhabens ist es daher, grundlegende Erkenntnisse über die Wirkzusammenhänge bei der Reinigung immergierter Systeme zu erzielen. Als repräsentatives Stoffsystem soll Molkeprotein in Form von WPI-Gel verwendet werden. Das Forschungsvorhaben gliedert sich in drei Projektteile. Im ersten Projektteil sollen anhand von Charakterisierungsmethoden alle reinigungsrelevanten Materialeigenschaften und deren Änderung in Abhängigkeit von der Reinigungsmitteltemperatur und -konzentration bestimmt werden (viskoelastische Festigkeits¬kennwerte, Diffusionskoeffizienten, Oberflächentopografie, Adhäsions- und Kohäsionskräfte). Diese Materialparameter dienen im zweiten Projektteil als Datenbasis für die Erstellung eines kontinuumsmechanischen FEM-Modells der Verschmutzungsschicht. Dieses wird mit der fluiden Phase zu einem Fluid-Struktur-Interaktion-Modell (FSI-Modell) gekoppelt, so dass mit Hilfe von numerischen Simulationen der Reinigungsprozess nachgebildet werden kann. Um das FSI-Modell zu validieren und weiterzuentwickeln, werden im dritten Projektteil Reinigungsversuche mit zwei etablierten Methoden (Fluid Dynamic Gauging (FDG), Local Phosphorescence Detection (LPD)) durchgeführt. Die Modellierung wird entsprechend weiter entwickelt und basierend auf diesem FSI-Modell kann eine zielgerichtete, systemspezifische Reinigungsstrategie entworfen und validiert werden.

Aufgrund von geografischen und klimatischen Besonderheiten ist das Wasser in großen Teilen von Indien von schlechter Qualität. Mehr als 37 Millionen Inder sind jährlich von durch Trinkwasser hervorgerufene Krankheiten betroffen und schätzungsweise 1,5 Millionen Kinder sterben an Diarrhoe (www.wateraid.org). Berücksichtigt man die hohe Bevölkerungsdichte und die einkommensschwache wirtschaftliche Situation, ist es notwendig, kostengünstige Technologien zur Wasserbehandlung zu finden, die die Standards für sicheres Trinkwasser im Land erfüllen und gleichzeitig bedienerfreundlich und zuverlässig bei geringer Wartung sind. Die Membranfiltration ist eine vielversprechende Technologie aufgrund ihrer hohen Selektivität und einfachen Bedienung. Ein Nachteil ist die mögliche Kontamination der Membranen, was wiederum zu einem erhöhten Energieverbrauch, einer häufigeren Reinigungsfrequenz und einer kürzeren Lebensdauer der Membranen führt. Hauptursache für die Kontamination sind partikuläre und biologische Ablagerungen. Deren Verhinderung bzw. Verringerung und eine bessere Reinigung stehen im Fokus dieses Forschungsprojektes. Das übergeordnete Ziel ist die Bereitstellung einer optimalen Technologie und Betriebsweise für Membranen zur Aufbereitung von Trinkwasser. Teilziele sind eine einfache Handhabbarkeit, eine lange Lebensdauer sowie eine Verringerung von Energie und Wasserverbrauch.

Eine vielversprechende Möglichkeit zur Gestaltung innovativer, qualitätsoptimierter sowie ressourcenschonender Produktionsprozesse ist die konsequente Verwendung von Mikroproduktionstechnik. Trotz aller Vorteile, die mit dem Einsatz von Mikrokomponenten in kontinuierlichen Prozessen verbunden sind, existieren eine Reihe von Besonderheiten bezüglich ihres Foulingverhaltens sowie ihrer Reinigung. Im Rahmen eines größeren Verbundprojektes (Mi²Pro) ist es daher ein erklärtes Ziel der Forschungspartner, anhand ausgewählter Modellstoffsysteme grundlegende Erkenntnisse über das Foulingverhalten von Mikrokomponenten zu erlangen. Neben der systematischen Untersuchung von Einflussfaktoren und Wirkmechanismen steht die Entwicklung einer geeigneten Methode zur Detektion von Fouling in Mikrokomponenten im Fokus. Darüber hinaus werden geeignete CIP-Reinigungsstrategien erforscht, die zum einen der totalen Verblockung einzelner Mikrokanäle entgegenwirken und zum anderen einen reibungslosen kontinuierlichen Betrieb der eingesetzten Mikrokomponenten im industriellen Betrieb sicherstellen.

Ziel des Kooperationsprojekts zusammen mit dem Industriepartner Löhrke GmbH ist die Entwicklung eines neuartigen pH-Wert basierten Cleaning-in-place-Reinigungsverfahrens (CIP) zur Beseitigung komplexer Verschmutzungen (Fouling) in Wärmeübertragern und lebensmittelverarbeitenden Anlagen. Der neuartige Ansatz besteht in der Entwicklung von niedrigtemperierten CIP-Sequenzen, die saure und alkalische Programmschritte übergreifend in nur einem CIP-Kreislauf vorzugsweise in exakt definierten pH-Bereichen durchführen. Die Anwendung dieses automatisierten Verfahrens in einer CIP-Pilotanlage verbunden mit einem sensorgestützten Monitoring der reinigungsrelevanten Betriebsparameter soll eine bedarfsgerecht ausgerichtete, effiziente und kostensparende Prozesshygiene vor allem in milchverarbeitenden Betrieben ermöglichen und damit zur Produktsicherheit von Lebensmitteln beitragen. Das Teilprojekt vom ICTV als beteiligte Forschungseinrichtung beschäftigt sich hauptsächlich mit der verfahrenstechnischen Begleitung und der Durchführung von für die Bearbeitung des Projekts notwendigen Voruntersuchungen im Labormaßstab. Dazu gehören zum Beispiel die Erzeugung von verschiedenen Modellverschmutzungen sowie die Simulation des angestrebten Reinigungsverfahrens durch Abfahren unterschiedlicher pH-Wert-Bereiche zur Abreinigung definiert aufgebrachter Verschmutzungen.

Ziel dieses Projektes ist die Steigerung der Energieeffizienz und damit auch Wirtschaftlichkeit der Polymerherstellung durch Reduzierung des Fouling in Wärmeübertragern. Fouling kann dabei sowohl während der Polymerisation als auch bei der anschließenden Weiterverarbeitung der fertigen Polymerdispersion auftreten. Beide Vorgänge sind bisher unzureichend erforscht, wodurch Lösungsansätze zur Foulingminderung fehlen. Im Projekt werden zunächst die Mechanismen der Foulingbildung von polymerisierenden Systemen sowie Polymerdispersionen und deren Einflussparameter, wie der Bulktemperatur, der Wärmestromdichte und der Feststoffkonzentration, untersucht. Außerdem wird die foulingmindernde Wirkung modifizierter Oberflächen, wie beispielsweise sogenannter DLC-Beschichtungen, systematisch untersucht und ein Zusammenhang zwischen Oberflächeneigenschaften (freie Oberflächenenergie, Oberflächenrauheit) und der Foulingbildung (thermischer Foulingwiderstand, Foulingmasse) gesucht. Da eine Belagbildung sowohl während Heiz- wie Kühlvorgängen auftreten kann, werden die Foulingbildung der polymerisierenden Systeme und Polymerdispersionen sowohl auf beheizten als auch auf gekühlten Oberflächen untersucht. Um auch den Einfluss der Strömungsgeschwindigkeit auf das Fouling zu erfassen, werden Versuche im Batchbetrieb und im Strömungskanal durchgeführt.

Biofouling ist die unerwünschte Adhäsion von Mikroorganismen an technische Oberflächen. Die Mikroorganismen bilden dabei eine Matrix aus extrazellulären polymeren Substanzen (EPS), die sowohl als Speicher für Wasser und Nährstoffe als auch als Schutzbarriere gegen Umwelteinflüsse und Biozide dient, wodurch eine Reinigung erschwert wird. Es wurde eine Foulinganlage aufgebaut, in der Biofilme unter reproduzierbaren Strömungsbedingungen auf Edelstahloberflächen kultiviert werden, um anschließend durch eine integrierte Ultraschallsonotrode wieder abgetragen zu werden. Da Mikroorganismen besonders schnell auf vorhandener Biomasse anwachsen, wird ein vollständiges Entfernen der Biomasse angestrebt. Durch Antifouling-Beschichtungen soll die Biofilmbildung vermindert werden, da die freie Energie der Edelstahloberfläche verändert wird und sich dadurch andere Wechselwirkungen zwischen den Proteinen auf der Zell und der Edelstahloberfläche ergeben.

Steigendes Kosten- und Umweltbewusstsein, verschärfte Verbraucheranforderungen nach naturbelassenen Lebensmitteln mit längeren Haltbarkeitsdaten sowie die hohen hygienischen Anforderungen in vielen Bereichen der produzierenden Industrie erfordern immer effizientere Reinigungsprozesse, die einen wesentlichen Bestandteil des Produktionsprozesses selbst darstellen. Vorrausetzung einer zielorientierten Anpassung der Reinigungsprozesse liegt in einem vertieften Verständnis, inwiefern Verschmutzungen aufgrund ihrer Beschaffenheit und ihrer Wechselwirkungskräfte mit der Maschinenoberfläche (Substrat) und dem Reinigungsmittel auf Reinigungsverfahren reagieren. Das Ziel dieses Forschungsprojektes ist die Optimierung von Reinigungsprozessen durch Charakterisierung vorliegender Verschmutzungen mittels dimensionslose Kenngrößen. Dabei lässt die Kombination verschiedener Labormessmethoden eine Prognose des effektiven Einflusses der Betriebsparameter (Reinigungsmitteltemperatur, -konzentration & Volumenstrom) zur Abtragung spezifischer Verschmutzungen zu. In der ersten Projektphase wurden primär die Wechselwirkungen zwischen einfachen Modellverschmutzung und dem Reinigungsmittel beschrieben, in der zweiten Phase steht die Interaktion zwischen komplexen, industriellen Verschmutzungen und unterschiedlichen Substratwerkstoffen und dessen Oberflächenbehandlung im Fokus.

Ziel des Kooperationsprojekts mit Wissenschaft und Industrie ist es, das COMPREX®-Verfahren der Firma Hammann GmbH, ein bei der Reinigung von kommunalen Trinkwasserleitungen etabliertes und sehr erfolgreiches Impulsspülverfahren, für die Anwendung in Wärmeübertragern weiterzuentwickeln, um diese im eingebauten Zustand effizient und chemikalienfrei reinigen zu können. Dieses Verfahren nutzt eine Propfenströmung bestehend aus Luft- und Wasserblöcken mit hohen Strömungsgeschwindigkeiten, um Ablagerungen zu mobilisieren und aus dem System auszutragen. Die Anwendbarkeit der Reinigungsmethode auf verschmutzte Plattenwärmeübertrager wird im Laufe des Projekts anhand von verschiedenen Fouling-Modellsystemen, z.B. CaSO4-Ablagerungen, Biofilmen und Hydrogelen, getestet und optimiert. Für systematische Reinigungsversuche und die Reinigung von industriellen Wärmeübertragern wurden inzwischen der Reinigungsstand für Plattenwärmeübertrager sowie die Mobile Comprex®-Einheit entwickelt.

Ein großes Potential, Fouling dauerhaft zu mindern, besteht in dem Beschichten der wärmeübertragenden Fläche. Das Dotieren amorpher Kohlenstoffschichten (DLC) mit Elementen wie Sauerstoff oder Silizium bewirkt eine Änderung des Benetzungsverhaltens von Wasser und damit eine Veränderung der freien Oberflächenenergie. Hierdurch kann die Haftkraft der sich bildenden Schicht reduziert werden. Das Aufbringen von DLC-Beschichtungen wird über die plasmaunterstützte chemische Abscheidung aus der Dampfphase realisiert (PACVD). Dieses Verfahren konnte bisher jedoch nur auf ebenen Flächen angewendet werden. In diesem Forschungsprojekt wird die Realisierbarkeit einer Prozesskette zur Herstellung von Rohren mit Innenbeschichtungen untersucht. Im ersten Schritt wird eine ebene Platte beschichtet, dann mit Hilfe eines geeigneten Umformverfahrens zur Rohrgeometrie umgeformt und im dritten Schritt an der Längskante verschweißt. Hierzu werden mehrere Umformverfahren, wie das Walzprofilieren oder das Biegeumformen, sowie verschieden Schweißverfahren hinsichtlich Ihres Einflusses auf die Beschichtung und das Foulingverhalten untersucht. Es konnte ein Beschichtungssystem identifiziert werden, welches seine foulingmindernden Eigenschaften, trotz Ausübung von Umform- und Schweißverfahren, bewahrt hat.

Bei der Kühlungskristallisation aus der Lösung tritt auf den wärmeabführenden Oberflächen häufig Kristallwachstum auf, das auch als Belagbildung (Fouling) aufgefasst werden kann. Gründe hierfür sind u.a. die mit geringeren Temperaturen meist zunehmende Viskosität und die geringere Löslichkeit der zu kristallisierenden Komponente. Durch die Beschichtung von Oberflächen können deren energetischen Eigenschaften, wie beispielsweise die Hydrophobizität, verändert werden. Eine besonders gezielte Einstellung der freien Oberflächenenergie ist bei dotierten amorphen Kohlenstoffschichten, den sogenannten DLC-Schichten (Diamond Like Carbon), möglich. Durch die Dotierung mit nichtmetallischen Elementen wie Silizium, Fluor oder Sauerstoff können spezifische Oberflächeneigenschaften der Beschichtung eingestellt werden. Durch die Beschichtung können so auch die Wechselwirkungen der Oberfläche mit Flüssigkeiten sowie die Kristallbildung, -größe und –form gezielt beeinflusst werden.