Welche Benchmarks für kurze Prozesszeiten und niedrigen Energieverbrauch sind in der Food-Ingredient-Herstellung erreichbar?
In der Food Ingredient Herstellung lassen sich Prozesszeiten und Energieverbräuche deutlich reduzieren, wenn Rezeptur, Rohstoffqualität, Trocknungs oder Mischverfahren, Automatisierung und Medienversorgung aufeinander abgestimmt sind. Einheitliche Bestwerte für alle Produkte gibt es jedoch nicht. Milch und Molkeprodukte, Proteine, Stärkeprodukte, Aromen, Gewürzmischungen, funktionelle Pulver und pflanzenbasierte Zutaten unterscheiden sich erheblich hinsichtlich Feuchte, Viskosität, Temperaturstabilität, Partikelstruktur, Hygienerisiko und Reinigungsaufwand.
Aussagekräftige Benchmarks beziehen sich daher immer auf eine klar definierte Einheit. Bei Trocknungsprozessen ist dies meist der Energieaufwand je Kilogramm verdampftes Wasser. Bei Mischprozessen sind es beispielsweise Mischzeit, Energieeintrag je Charge, Anzahl der Chargen pro Stunde oder die erreichte Homogenität. Bei kompletten Produktionslinien werden zusätzlich Ausbringung, Ausschussquote, Reinigungsdauer, Wasserverbrauch und Gesamtanlageneffektivität betrachtet.
Kurze Prozesszeiten
Bei der Sprühtrocknung liegen die Kontakt und Trocknungszeiten der einzelnen Partikel im Trocknungsgas häufig im Sekundenbereich. Die gesamte Verweilzeit des Produkts in der Anlage hängt jedoch auch von Zerstäubung, Trocknungskammer, Nachbehandlung, Austrag und möglicher Agglomeration ab. Ein hoher Durchsatz kann nur dann mit stabiler Produktqualität kombiniert werden, wenn Feststoffgehalt, Viskosität, Zerstäubung, Lufttemperaturen und Luftvolumenstrom auf das Produkt abgestimmt sind.
Bei Wirbelschichtprozessen können Trocknung, Kühlung und Agglomeration in einer Anlage kombiniert werden. Die benötigte Prozesszeit liegt häufig im Bereich von Minuten bis zu einer Stunde und wird vor allem durch die Ausgangsfeuchte, die gewünschte Restfeuchte, die Partikelgröße, die thermische Empfindlichkeit und die erforderliche Produktstruktur beeinflusst. Besonders bei Instantprodukten kann die Integration mehrerer Prozessschritte den gesamten Produktionsablauf verkürzen.
Bei Bandtrocknern hängt die Prozesszeit stark von Schichtdicke, Luftführung, Temperaturprofil und Produkteigenschaften ab. Mehrzonige Konzepte und eine gezielte Luftführung können die Trocknung beschleunigen, ohne die Produkttemperatur unzulässig zu erhöhen. Der Vergleich von Anlagen sollte deshalb nicht allein über die Verweilzeit erfolgen, sondern immer auch über Restfeuchte, Produktausbeute, Farbe, Aroma, Löslichkeit und Nährstofferhalt.
Bei Mischprozessen für trockene oder leicht feuchte Food Ingredients können moderne Mischanlagen in wenigen Minuten eine hohe Homogenität erreichen. Die konkrete Mischzeit muss jedoch mit dem tatsächlichen Produkt geprüft werden. Unterschiede in Partikelgröße, Schüttdichte, Feuchte, Agglomeratstabilität und Dosiergenauigkeit können die erforderliche Mischzeit deutlich verändern. Ein sehr kurzer Mischvorgang ist nur dann vorteilhaft, wenn sich die Rezeptur gleichmäßig verteilt und empfindliche Partikel nicht beschädigt werden.
Die Reinigungsdauer ist ein zentraler Faktor für die Gesamtproduktivität. Sie umfasst nicht nur den eigentlichen CIP oder WIP Vorgang, sondern auch Produktentleerung, Umrüstung, Freigabe und gegebenenfalls mikrobiologische Kontrollen. Optimierungen wie getrennt reinigbare Prozessbereiche, bedarfsgerechte Reinigungsprogramme, Leitfähigkeitsmessung zur Endpunkterkennung und eine verbesserte mechanische Reinigungswirkung können CIP Zeiten deutlich reduzieren. Branchenanalysen nennen Potenziale von etwa 25 bis 40 Prozent für die Verkürzung von CIP Zyklen, sofern die mikrobiologische Validierung erhalten bleibt.
Die Gesamtanlageneffektivität ist ein wichtiger Kennwert für die Bewertung kompletter Food Linien. Sie verknüpft Verfügbarkeit, Leistung und Qualitätsrate. Ein Wert von 85 Prozent wird oft als allgemeiner Spitzenwert genannt, stammt jedoch vor allem aus der diskreten Fertigung und ist wegen verpflichtender Reinigung, Allergenwechsel und produktspezifischer Hygienemaßnahmen nicht pauschal auf Food Prozesse übertragbar. Für Food und Beverage Anlagen werden typischerweise Werte von etwa 55 bis 70 Prozent genannt. Gut geführte Anlagen können etwa 75 bis 80 Prozent erreichen, während höhere Werte stark vom Produkttyp, der Variantenvielfalt und der korrekten Behandlung geplanter Reinigungszeiten abhängen.
Niedriger Energieverbrauch
Bei Trocknungsprozessen ist die Verdampfung von Wasser der wichtigste Energiehebel. Sprühtrocknung ist unverzichtbar für viele hochwertige Pulver, zählt aber zu den energieintensiven Verfahren. Je nach Produkt, Ausgangsfeuchte, Luftführung und Wärmeintegration können spezifische Verbräuche stark variieren. Quellen nennen für konventionelle Sprühtrocknung Werte bis zu 6000 Kilojoule je Kilogramm verdampftes Wasser. Für effizientere Trocknungskonzepte werden deutlich niedrigere Werte berichtet. Der Energieverbrauch sollte deshalb immer bezogen auf die verdampfte Wassermenge und zusätzlich auf die erzeugte Produktmenge ausgewertet werden.
Eine wesentliche Einsparmöglichkeit ist die Vorkonzentration vor der thermischen Trocknung. Wenn Flüssigprodukte zunächst durch Membranfiltration oder Verdampfung aufkonzentriert werden, muss im nachfolgenden Trockner weniger Wasser entfernt werden. Die Auswahl des Verfahrens hängt von der Produktstabilität, der Viskosität, der Membranempfindlichkeit, der gewünschten Konzentration und der Reinigbarkeit ab.
Mehrfacheffektverdampfer und mechanische Brüdenverdichtung können den Energiebedarf bei der Konzentration deutlich senken. Als Orientierung benötigt ein Einfacheffektverdampfer etwa 2260 Kilojoule je Kilogramm verdampftes Wasser. Ein Vierfacheffektverdampfer kann den spezifischen Dampfbedarf rechnerisch auf etwa 565 Kilojoule je Kilogramm senken. Für Systeme mit mechanischer Brüdenverdichtung werden deutlich niedrigere Werte genannt, wobei der Bedarf dann vor allem als elektrischer Energieverbrauch des Verdichters bewertet wird.
Wärmerückgewinnung ist bei energieintensiven Food Prozessen häufig der wirksamste Ansatz. Abluft, Kondensat, Brüden und Kühlströme können genutzt werden, um Frischluft, Prozesswasser oder Produktvorstufen vorzuwärmen. Wie hoch die tatsächliche Rückgewinnungsrate ausfällt, hängt von Temperaturdifferenzen, Verschmutzungsneigung, Hygienekonzept, verfügbarer Wärmesenke und Betriebszeiten ab. Statt einer allgemeinen Rückgewinnungsquote sollten Betreiber daher eine standortspezifische Wärmebilanz und eine Pinch Analyse erstellen lassen.
Auch elektrische Verbraucher beeinflussen die Gesamtbilanz. Dazu zählen Ventilatoren, Pumpen, Vakuumerzeuger, Mühlen, Dosierer, Fördertechnik, Kälteanlagen und Druckluftsysteme. Hocheffiziente Motoren, korrekt ausgelegte Frequenzumrichter, geringe Druckverluste, drehzahlgeregelte Ventilatoren und eine systematische Leckagekontrolle bei Druckluft reduzieren den Verbrauch oft ohne Veränderung des eigentlichen Produkts oder Rezepturprozesses.
Für den Vergleich kompletter Anlagen ist der Energieverbrauch je Kilogramm Endprodukt nur dann hilfreich, wenn die Bilanzgrenzen eindeutig definiert sind. Betreiber sollten klären, ob darin nur der direkte Stromverbrauch der Prozessanlage enthalten ist oder auch Dampf, Kälte, Druckluft, Heißwasser, CIP Medien, Abluftbehandlung und Energieverluste der zentralen Versorgung. Erst dann lassen sich Anlagen oder Produktionsstandorte seriös miteinander vergleichen.
Wesentliche Einflussfaktoren
Die erreichbaren Kennzahlen werden vor allem durch den Feststoffgehalt der Ausgangsprodukte, die Feuchte, die thermische Empfindlichkeit, die Viskosität, die gewünschte Partikelstruktur und die Rezepturvielfalt bestimmt. Bereits eine höhere Eingangskonzentration kann den Energiebedarf der nachfolgenden Trocknung erheblich beeinflussen. Umgekehrt können schwankende Rohstoffqualitäten zu längeren Prozesszeiten, mehr Nachregelung, höherem Ausschuss und zusätzlichen Reinigungsaufwänden führen.
Hygienisches Anlagendesign wirkt sich ebenfalls auf Zeit und Energie aus. Gut entleerbare Apparate, kurze Produktwege, möglichst wenige Anhaftungsstellen und eine auf das Produkt abgestimmte Reinigung reduzieren Produktverluste und Stillstandszeiten. Die hygienische Auslegung muss jedoch immer mit Anforderungen an Allergenkontrolle, mikrobiologische Sicherheit und Produktwechsel vereinbar sein.
Automatisierung und Datenauswertung helfen, Energie und Zeitverluste sichtbar zu machen. Prozessleitsysteme und Manufacturing Execution Systeme können Kennzahlen wie spezifischen Wärmebedarf, Stromverbrauch, Chargendauer, Reinigungszeit, Ausschuss und Anlagenstillstände erfassen. Daraus lassen sich Maßnahmen ableiten, beispielsweise die Optimierung von Temperaturprofilen, die Verkürzung von Umrüstungen, die Senkung von Leerlaufzeiten oder die Anpassung von Reinigungsprogrammen.
Einordnung der Benchmarks
Eine realistische Zielsetzung sollte nicht mit einer einzelnen branchenweiten Zahl beginnen. Sinnvoller ist ein produktspezifischer Ausgangswert, der für jede Linie getrennt erfasst wird. Darauf aufbauend lassen sich klare Zielgrößen für Durchsatz, Zykluszeit, Energie je Kilogramm verdampftes Wasser, Energie je Kilogramm Produkt, Wasserverbrauch, Reinigungsdauer, Ausschuss und Gesamtanlageneffektivität definieren.
Ein Beispiel ist die Herstellung eines sprühgetrockneten Proteinpulvers. Eine Vorkonzentration reduziert die Wassermenge, die im Sprühtrockner verdampft werden muss. Eine verbesserte Abluftwärmerückgewinnung senkt den Wärmebedarf. Ein stabil geregelter Trocknungsprozess reduziert Über und Untertrocknung. Gleichzeitig kann ein optimiertes Reinigungskonzept die Umrüstzeit zwischen zwei Produktkampagnen verkürzen. Ob diese Maßnahmen wirtschaftlich sind, hängt vom Produktwert, den Betriebsstunden, den Energiekosten, den Qualitätsanforderungen und den vorhandenen Mediennetzen ab.
So bewertet amixon® Energieeffizienz, Total Cost of Ownership und Amortisation eines Industriemischers
Die Wirtschaftlichkeit eines Industriemischers wird nicht allein vom Kaufpreis oder von der installierten Leistung bestimmt. Entscheidend sind über die tatsächliche Nutzungsdauer insbesondere Energieverbrauch, Produktausbeute, Reinigungs und Wechselzeiten, Wartungsbedarf, Ersatzteilversorgung und mögliche Modernisierungen. Pauschale Energiekennzahlen je Tonne Produkt sind dabei wenig aussagekräftig, weil Rezeptur, Füllgrad, Chargengröße, Mischzeit und geforderte Homogenität den Energiebedarf wesentlich beeinflussen.
amixon® ermittelt relevante Kennzahlen deshalb im Versuch mit dem Originalprodukt. Im amixon® Technikum werden unter realistischen Bedingungen unter anderem Mischzeit, Energieaufnahme, Mischgüte, Produktschonung, Restentleerung, Reinigbarkeit und Produktwechselzeit bewertet. Diese dokumentierten Daten bilden eine belastbare Grundlage für die Auslegung der Anlage sowie für Wirtschaftlichkeits und Amortisationsrechnungen. In Paderborn stehen mehr als dreißig Testanlagen bereit. Ergänzend betreibt amixon® Technika in Deutschland, den Vereinigten Staaten, China, Japan, Indien, Thailand und Südkorea.
amixon® Mischer sind auf eine produktschonende Prozessführung mit niedrigem mechanischem Energieeintrag ausgelegt. Niedrige Drehzahlen und gezielt geführte Mischgutströme unterstützen eine effiziente Durchmischung. Der Gyraton® GM ist für große Chargen konzipiert und kombiniert einen niedrigen Leistungsbedarf mit präziser und schonender Mischwirkung. Laut amixon® sind Baugrößen mit etwa zehn bis siebzig Kubikmetern Nutzvolumen verfügbar.
Kurze Mischzeiten reduzieren den Energieverbrauch je Charge und erhöhen die produktiv verfügbare Anlagenzeit. Beim KoneSlid® Mischer KS wird das gesamte Mischgutvolumen nach rund vier Umdrehungen einmal vollständig umgeschichtet. Bei geeigneten Produkten kann die optimale Mischgüte nach etwa zwanzig bis dreißig Umdrehungen erreicht werden. Die tatsächlich erforderliche Mischzeit wird für jede Rezeptur im Versuch bestimmt.
Eine hohe Restentleerung verbessert die Ausbeute und reduziert Produktverluste. Die ComDisc® Technologie von amixon® ermöglicht eine nahezu vollständige und entmischungsfreie Entleerung. Abhängig von Produkt und Anwendung sind Entleerungsgrade von bis zu 99,997 Prozent erreichbar. Das ist besonders bei hochwertigen Food Ingredients, häufigen Rezepturwechseln und allergenkritischen Anwendungen wirtschaftlich relevant.
Auch die Reinigungszeit beeinflusst die Total Cost of Ownership erheblich. amixon® nutzt programmierbare Zielstrahl Waschlanzen, die den Mischraum und besonders verschmutzte Bereiche gezielt mit erhöhtem Wasserdruck beaufschlagen. Die reproduzierbare Reinigungsstrategie kann Anhaftungen wirkungsvoll lösen, den Wasserverbrauch reduzieren und die Reinigungszeit verkürzen. Dies ist insbesondere für validierbare Reinigungsprozesse in der Lebensmittel und Pharmaindustrie relevant.
Nach der Nassreinigung muss der Mischer vollständig trocknen, bevor wieder feuchteempfindliche Pulver verarbeitet werden können. amixon® bietet dafür unter anderem das WaterDragon® System an. Die einfahrbaren Waschlanzen reinigen den Mischraum und werden anschließend mit großen Mengen trockener Warmluft durchströmt. Dadurch können die Waschlanzen und produktberührten Flächen schnell und gründlich getrocknet werden. Die Trocknung kann unmittelbar nach der Reinigung erfolgen und erfordert keine Wartezeit, bis ein zuvor erwärmter Mischer wieder abgekühlt ist.
Die robuste Konstruktion von amixon® Mischern unterstützt eine lange Nutzungsdauer. Bei Ausführungen mit ausschließlich oben gelagertem Mischwerk entfällt die untere Wellendurchführung im produktberührten Bereich. Das verringert die Anzahl produktberührter Dichtstellen und kann Wartung sowie Reinigung vereinfachen. Ergänzend bietet amixon® lebenslangen Ersatzteilservice, Wartung, Retrofit und Modernisierung, damit bestehende Anlagen technisch weiterentwickelt und langfristig genutzt werden können.
Für Food Ingredients lassen sich amixon® Mischer je nach Anforderung hygienisch ausführen. Reinigungsfreundliche Oberflächen, zugängliche Mischräume, mikrofeine Flüssigkeitseinmischung und nahezu vollständige Entleerung unterstützen reproduzierbare Produktqualität bei häufigen Produktwechseln. Für bestimmte Anlagenkonzepte können Anforderungen der FDA, der EHEDG und der 3 A Sanitary Standards berücksichtigt werden.