An die Prozessabläufe in vielen Produktionsbetrieben der Lebensmittel- und Getränkeindustrie werden zunehmend höhere Anforderungen gestellt. Das Einsparen von Ressourcen steht dabei immer mehr im Fokus und erhält einen Stellenwert, der dem der Betriebssicherheit entspricht. Dabei können einzelne Anlagenkomponenten nicht mehr isoliert betrachtet werden, wenn ein Betrieb das wirtschaftliche Potenzial moderner Konstruktionen ausschöpfen will – wie zum Beispiel von ölfrei arbeitenden Kompressoren zur Erzeugung von Prozessluft oder Vakuumpumpen in der Getränkeabfüllung und der Lebensmittelverpackung.
Komplettlösungen für die Produktion vorgegebener Druckluftqualitäten und Volumenströme sowie die unterschiedlichen Pumpensysteme zum anwendungsorientierten Erzeugen von Vakuum verfügen über immer mehr Funktionen durch eigene Sensorik und Rechenleistung. Sie müssen auf einer Ebene mit dem Produktionsmanagement der Anwender arbeiten. Drei in jüngster Zeit realisierte Projekte zeigen beispielhafte Lösungsmöglichkeiten auf.
Druckluft wirtschaftlich erzeugen
Ein interessantes Beispiel für eine ganzheitliche Lösung ist ein aktuelles Projekt der Molkereigruppe Gropper, die 2015 zirka 290 Mio. kg Milch zu unterschiedlichen Milchprodukten verarbeitete. Die Firmengruppe expandiert kontinuierlich und erzeugt mittlerweile auch Smoothies und Direktsäfte – hier liegt die Jahresproduktion bereits bei 80 Mio. kg. Um die Voraussetzung für weiteres Wachstum zu schaffen, hat Gropper ein neues Werk in Stockach aufgebaut, das sich ausschließlich auf die Produktion von Direktsäften konzentriert.
Da bei der Planung der Anlage großer Wert auf Effizienz, Flexibilität und günstigen Energieverbrauch gelegt wurde, standen bei den Investitionen nicht nur die Anschaffungskosten im Vordergrund, sondern auch die Lebenszykluskosten. Das galt insbesondere für die Drucklufterzeugung, die für die PET-Flaschenproduktion vor Ort benötigt wird. Die daumengroßen Vorformlinge – sogenannte Preformen – werden mit einem Druck von bis zu 40 bar „aufgeblasen“ und anschließend befüllt. Hierfür wurde ein ölfrei arbeitender Kolbenkompressor mit 325-kW-Direktantrieb und einem maximalen Volumenstrom von 1.800 m3/h bei 40 bar angeschafft.
Diese Konstruktion verzichtet sowohl auf einen Riemenantrieb als auch auf ein Getriebe und eine Kupplung. Das ist die Grundlage für den hohen Wirkungsgrad, die kompakte Bauweise und die hohe Standzeit von 8.000 Stunden. Die Kolbenmaschinen arbeiten doppeltwirkend: Pro Umdrehung werden zwei Ansaug- und Verdichtungsvorgänge ausgeführt. Darüber hinaus lassen sie sich schon in der Grundversion einfach regeln, weil sie durch Ventilabschaltung mit Halblast betrieben werden können und auch dann einen hohen Wirkungsgrad erreichen.
Der ruhige Lauf erlaubt den Verzicht auf ein Fundament. Die exakte Führung von Kolben und Kolbenstange nach dem Kreuzkopf-Prinzip schafft die Voraussetzung für eine lange Lebensdauer des Kompressors. Die hier eingesetzte Variante hat einen Regelbereich von 530 bis 1800 m3/h (30 bis 100 Prozent), sodass auch geringere Mengen oder kleinere PET-Flaschen gleichermaßen wirtschaftlich hergestellt werden können. Das ist wichtig, da das Werk hauptsächlich 0,9- bis 1,35-l-Gebinde, aber auch 0,33-l-Flaschen abfüllt. Zugleich entstehen nahezu keine Leerlaufverluste, da über ein sehr geringes Druckband der Druck konstant gehalten werden kann.
Die Regelung erfolgt über eine speicherprogrammierbare Steuerung (SPS), die den Kompressor bedarfsgerecht steuert – mit dem Netzdruck als Führungsgröße. Zudem kann der Druck auf unter 30 bar gezielt abgesenkt werden, wenn leichtere Flaschen produziert werden. Auch das trägt zum wirtschaftlichen, bedarfsgerechten Betrieb der Drucklufterzeugung bei. Die anwendungsspezifische Auslegung des Kompressors und seiner Steuerung übernahmen die Druckluft-Experten. Sie projektierten auch das Bediener-Interface, das die jeweiligen Betriebszustände der Anlage anzeigt.
Ganz entscheidend für die Wirtschaftlichkeit der Drucklufterzeugung ist die optimale Integration des Kompressors in die temperaturgeführten Prozesse: Ein zentraler Warmwasserspeicher mit einem Fassungsvermögen von 10 m3 dient als Energiereservoir. Sowohl der Kühlkreislauf als auch die Wärmerückgewinnung werden über die SPS gesteuert. Die Maschine ist über einen Druckminderer mit dem allgemeinen 7-bar-Werksluftnetz verbunden, um im Notfall auch in dieses Netz speisen zu können. Das 40-bar-Netz ist redundant ausgelegt: In Kürze wird zusammen mit der zweiten Abfülllinie ein zweiter Kolbenkompressor gleichen Typs installiert, der als Backup-System die Druckluftversorgung der PET-Flaschen-Erzeugung sicherstellt.
Weniger Wasser in der Produktion verbrauchen
Für Brauereien ist Wasser zu einem entscheidenden Kostenfaktor geworden. Dies gilt besonders für Brauereien ohne eigene Quelle. Daher werden alle Bereiche der komplexen Anlagentechnik auf Maßnahmen zur Verbrauchreduzierung untersucht. Der durchschnittliche Wasserverbrauch der internationalen Brauindustrie liegt bei rund 4,3 l pro produziertem Liter Bier. Einer der größten Brauereikonzerne hat sich bis 2017 das Ziel gesetzt, im Durchschnitt nur noch 3,2 l Wasser zu verwenden. Einen Verbrauch von unter 3 l erreichen nur wenige Brauereien. Bei vielen kleinen und mittleren Betrieben liegt er deutlich über dem Durchschnitt. Auch die Abfüllanlagen können einen beachtlichen Beitrag zum Einsparen von Wasser und Energie leisten. Eine neue Konstruktion kommt ohne Zuführung von Frischwasser aus.
In herkömmlichen Anlagen haben sich Flüssigkeitsring-Vakuumpumpen zum Erzeugen des Vakuums bewährt; diese müssen jedoch ständig mit Wasser gespeist werden. Auf den hohen Wasserbedarf wollten die Ingenieure verzichten, nicht jedoch auf die technischen Vorteile dieser Pumpentechnologie. Gelöst wurde das Problem schließlich mit einer patentierten und maßgeschneiderten Anlagentechnik zum Erzeugen des Vakuums für Füllsysteme, bei der die Kühlung in ein Kreislaufsystem integriert ist, das ohne kontinuierlichen Wasserbedarf auskommt. Die Praxiserfahrungen mit dieser Anlagentechnik zeigen, dass die Einsparungen beim Frischwasserbedarf erheblich sind und zur Senkung der Betriebskosten beitragen.
In diesem Kreislaufsystem arbeiten, je nach Größe, eine oder zwei Flüssigkeitsring-Vakuumpumpen, die auf einem Edelstahlrahmen montiert sind. Aufgrund ihres Wirkprinzips sind die Flüssigkeitsring-Vakuumpumpen im Unterschied zu anderen Vakuumerzeugern in der Lage, feuchte Gase oder Dämpfe mit zusätzlich anfallenden Flüssigkeitsmengen zu fördern. Durch die isotherme und pulsationsfreie Verdichtung wird ein hoher Wirkungsgrad erzielt. Da dieses Pumpenprinzip mit nur einem bewegten Bauteil arbeitet, ergibt sich eine lange Lebensdauer bei geringem Wartungsaufwand.
Energie mit Schrauben-Vakuupumpe sparen
Im Bereich Food-Verpackung gibt es eine Vielzahl von Prozessen, bei denen Druckluft und Vakuum erforderlich sind. Ein typisches Beispiel für den Einsatz von Vakuumpumpen: Beim Verpacken von frischen Lebensmitteln wird die Luftatmosphäre durch Schutzgas (MAP) ersetzt. Das verbessert die Haltbarkeit, und die verpackten Lebensmittel werden ansprechender präsentiert.
Bereits durch eine geringfügige Erhöhung des Sauerstoffgehaltes werden Verbrennungsvorgänge gefördert oder beschleunigt, was auch zu Schäden an Maschinen und Anlagen führen kann. Deshalb wurde für das Verpacken unter Schutzgas eine trocken laufende Schrauben-Vakuumpumpe entwickelt, die im Pumpenschöpfraum kein Kühl- oder Dichtmedium benötigt. Diese Schraube ist wassergekühlt. Die durch die Pumpe erzeugte Wärme wird über das Kühlwasser aus dem Verpackungsraum abgeführt. Im Vergleich mit einem in solchen Fällen üblichen ölgeschmierten Drehschieber zeigt sich, dass sich der etwas höhere Anschaffungspreis durch niedrigere Wartungs- und Energiekosten amortisiert.
Fokus auf Gesamtsystem richten
Energieeffizienz und Nachhaltigkeit von Prozessabläufen lassen sich am besten erreichen, wenn von der Beratung über die Planung bis zur Wartung der Fokus auf das Gesamtsystem gerichtet ist. Die Entscheidung für eine bestimmte Technologie wird in enger Abstimmung der Spezialisten für den jeweiligen Prozess mit den Anlagenherstellern und Anwendern getroffen. Das Ziel sind integrierte Lösungen auf der Basis eines umfassenden Programms an Druck- und Vakuumerzeugern auf höchstem technischem Niveau, die sehr geringe Lebenszykluskosten verursachen und die Anlagensicherheit garantieren.
