Mit FDA-konformen Komponenten zur Steuerung und Überwachung von Autoklaven lassen sich ­effizientere Abläufe und Energieeinsparungen erzielen sowie Qualitätsberichte für Behörden erstellen.

Um Lebensmittel haltbar zu machen, werden sie durch kontrolliertes Erwärmen auf Temperaturen über 100 °C sterilisiert. Das Erhitzen vernichtet Schadorganismen oder hemmt ihre Vermehrung. Es verändert Eiweiße und Enzyme, um den chemischen Zerfall des Produktes zu verlangsamen oder zu stoppen. Bei der Konservierung von Milchprodukten wie zum Beispiel Joghurt kommt es vor allem darauf an, lebende und thermoresistente Mikroorganismen zu beseitigen, ohne die für die Darmflora des Menschen wertvollen Mikroben abzutöten. 

Wenn die konservierten Lebensmittel zugleich vor Licht geschützt werden sollen, erfolgt die Sterilisation in Konservendosen. Der Prozess kann in drei Phasen unterteilt werden:

• Erhitzen: Die Temperatur des Produkts steigt von der Umgebungstemperatur auf die Sterilisationstemperatur.
• Halten: Das Produkt wird für eine vorgegebene Zeit auf Sterilisationstemperatur gehalten, um schädliche Mikroorganismen sicher abzutöten.
• Kühlen: Die Temperatur des Produkts wird auf die Umgebungstemperatur gebracht.

Um die für die Sterilisation benötigten Temperaturen von über 100 °C zu erreichen, muss die thermische Behandlung unter Druck in Autoklaven oder Retorten erfolgen. Für kleine Produktionen wie Marmeladenkonserven oder Soßen werden in der Regel vertikale Autoklaven mit aufgesetztem Deckel verwendet.

Die Herausforderungen des Sterilisationsprozesses

Die typische Sterilisationstemperatur beträgt 121 °C. Es gibt allerdings hitzeempfindliche Lebensmittel wie zum Beispiel Joghurt und andere Milchprodukte, für die diese Temperatur zu hoch ist. Um sie dennoch haltbar zu machen, werden sie über einen längeren Zeitraum einer bestimmten, niedrigeren Temperatur bei weniger als 121 °C aber mehr als 100 °C ausgesetzt. Die Zeitspanne, die bei der geringeren Temperatur die gleiche thermische Letalität wie eine einminütige Sterilisation bei 121 °C bewirkt, wird als F0-Wert bezeichnet und in Minuten angegeben.
Beim Sterilisationsprozess erfolgt das Erhitzen durch elektrische Heizelemente. Um Autoklaven oder Retorten für die Sterilisation unterschiedlicher Lebensmittel verwenden zu können, müssen sie über ein Steuerungssystem verfügen, das die verschiedenen Sterilisationsprofile darstellen kann. Die Kontrolleinheit sollte daher über folgende Features verfügen:

• eine PID-Regelung mit variablen Sollwertgebern,
• Produkt-Sterilisationsrezepte,
• die Möglichkeit zur Aufzeichnung von Produktchargen,
• Prozessverriegelungs- und Sequenzierungsfunktionen,
• mathematische Funktionen und F0-Wert-Berechnung

Die Lebensmittelverarbeitung unterliegt der strengen Kontrolle durch die Lebensmittelbehörde, daher besteht eine Anforderung auch darin, dass sich die Protokolldaten der Produktionschargen in verschlüsselter Form speichern lassen, um jegliche Veränderung zu vermeiden.

Prozesssteuerung in Wärmebehandlungen

Gefran hat über 40 Jahre Erfahrung in der Entwicklung und Herstellung von Lösungen in der Mess- und Regeltechnik und bietet ein spezielles Produktprogramm für die Prozesssteuerung in Wärmebehandlungen: von kleinen Laboranwendungen bis hin zu großen Industrieöfen zum Beispiel für Metall, Glas oder Silizium. 

Für die Lebensmittelsterilisation im Autoklaven bietet sich der Multifunktions-Controller 3850T an. Er gestattet die notwendige Mehrkanal-PID-Regelung, bietet Programme für die zeitabhängige Regelung von Druck und Temperatur und zeichnet die Produktionsdaten auf. Der 3850T gewährleistet eine vollständige und präzise PID-Regelung von bis zu 16 individuellen Regelkreisen mit absolutem Alarm- und Abweichungsmanagement für Temperaturen zwischen 0 °C und 150 °C sowie Drücken zwischen 0 und 4 Bar. Mit zwei unabhängigen Geräten lassen sich die Sollwertprofile für Temperatur und Druck programmieren, die mit Produktrezepten verknüpft werden können. Die Berechnung des F0-Wertes erfolgt automatisch zur Bestimmung der erforderlichen Sterilisationszeit auf Grundlage des Temperaturwertes und ebenfalls in Verbindung mit den Produktrezepten. Sie gestattet es, die Qualitätsparameter des Sterilisierguts automatisch zu prüfen, zu garantieren und zu zertifizieren. Der Regler verfügt über bis zu 32 digitale Ein- und Ausgänge für die Verriegelungslogik. Er bietet eine umfangreiche, integrierte und erweiterbare Bi­bliothek mit verschiedenen Funktionsblöcken.

Der Anwender profitiert von einer benutzerdefinierten konfigurierbaren Grafikanzeige, mit vorformatierten Seiten und grafischen Trendanzeigen von Prozessdaten und Alarmseiten. Die integrierte Mathematik und Logiksteuerung GETlogic dient zur Ausführung von Anlagenverriegelungen zum Beispiel beim Be- und Entladen der Autoklave bzw. beim Öffnen und Schließen von Türen und bietet zudem ein Alarmmanagement und verschiedene Sicherheitsverriegelungen. Die Kommunikation läuft über Ethernet-Modbus TCP/IP ab. Die VNC-Ethernet-Verbindung ermöglicht zudem den Fernzugriff auf den Multifunktionsregler 3850T für Wartungszwecke, eine kontinuierliche Überwachung und die Übertragung von momentanen oder aufgezeichneten Daten.

Die Datenaufzeichnung erfolgt mit der Echtzeituhr (RTC). Die Informationen zu Chargen und Berichte werden zusammen mit der Zeit, den Alarmen und weiteren Ereignissen angezeigt. Sie können entweder unverschlüsselt in CSV- oder verschlüsselt gespeichert und über USB oder Ethernet exportiert werden.

Leistungsregler und Drucksensor 

Die Leistungsregler-Serie GTF von Gefran bietet kompakte Geräte für die präzise Steuerung elektrischer Leistungen bei verschiedenen Arten von Heizelementen für Erwärmungsprozesse von mittlerer und hoher Komplexität. Die Geräte decken einen Stromstärkenbereich von 40 A bis 250 A und Nennspannungen bis 480 Vac beziehungsweise 600 Vac ab und können auf Wunsch mit einer integrierten rückstellbaren elektronischen Sicherung ausgerüstet werden. Damit eignet sich der Einphasen-Leistungssteller GTF für die hochpräzise, zuverlässige Regelung der elektrischen Heizelemente des Sterilisationsautoklaven mit 120 A bei einer Nennspannung von 400 Vac. In Verbindung mit dem 3850T stellt er eine gleichmäßige und energieeffiziente Beheizung sicher. 

Der Steuereingang unterstützt die Signale 0-10 V, 0/4-20 mA, Potentiometer, logische Signale und PWM-Modus. Von Vorteil ist auch hier der konfigurierbare Steuerungsmodus des Reglers. Angeboten wird außerdem die Möglichkeit des seriellen Anschlusses des GTF mit einer RS485-Schnittstelle und Modbus-RTU-Protokoll für die Überwachung der Ströme, Spannungen oder Leistungen sowie des Zustands der Last oder des Geräts selbst.
Der TK-Druckmessumformer von Gefran liefert ein analoges Ausgangssignal von 0 bis 10 V, das für eine präzise PID-Druckregelung durch den 3850T benötigt wird. Er zeichnet sich durch seine hohe Genauigkeit sowie robuste und kompakte Bauform in der Schutzart IP 65 bzw. IP 67 aus. Die Druckmessumformer basieren auf der Dickschichttechnologie auf Edelstahl. Alle messstoffberührten Teile sind aus Edelstahl gefertigt und komplett verschweißt. Interne Dichtelemente, die Einschränkungen bei der Auswahl des Messstoffes mit sich bringen, sind nicht vorhanden. Die Elektronik unterstützt eine Signalübertragung auch über große Entfernungen. Weitere Features sind die Alarmrelais 650L zur Sicherung der Anlage bei Überschreiten eines bestimmten Sicherheitsgrenzwerts.

Sichere und energieeffiziente Regelung

Gefran bietet mit dem Multifunktions-PID-Regler 3850T, dem Leistungsregler GTF, dem Drucksensor TK und der Alarmeinheit 650L sowie dem übergeordneten Konfigurationstool GF Express eine FDA-konforme Komplettlösung aus einer Hand – die alle Sicherheits- und Regelungsanforderungen in kritischen Anwendungen wie dem Sterilisationsprozess von Lebensmitteln erfüllt und auch dafür sorgt, dass der Energieverbrauch der Anlage gesenkt wird: Denn in industriellen Wärmeanwendungen spielt die präzise Steuerung elektrischer Heizlasten eine entscheidende Rolle für die Effizienz bei der Prozesstemperaturregelung, für die wirtschaftliche Nutzung der zur Verfügung stehenden Energie und nicht zuletzt für die Qualität des Endprodukts.

Autor
Danica Schwarzkopf, Marketing-Managerin