Selbstkontrolle ist alles: Die Systemarchitektur des Membranüberwachungssystems mit integrierter Membranüberwachung schlägt die Brücke zwischen Digitalisierung und Prozesssicherheit.

Bild: iStock, Marco VDM

Absolute Selbstkontrolle Druckmittlersystem für eine sterile Verfahrenstechnik

05.09.2022

Aseptische Verfahren sind das A und O in der Lebensmittelherstellung. Die fortschreitende Digitalisierung unterstützt die Prozesssicherheit. Sie eröffnet auch der messtechnischen Überwachung eine zusätzliche Qualität: durch Geräte, die sich selbst kontrollieren. Ein Unternehmen hat eigens dafür die nächste Generation seines Druckmittlersystems mit patentierter Membranüberwachung auf die künftigen Strukturen in der sterilen Verfahrenstechnik abgestimmt.

Die Lebensmittelbranche unterliegt strengen Hygenievorschriften. Um einwandfreie Produkte herzustellen, müssen zum Beispiel alle Rohrleitungen, Transport- und Lagerbehälter sowie alle angebauten Komponenten leicht und rückstandsfrei zu reinigen sein.

CIP-Prozesse in einem geschlossenen Rohrleitungssystem umfassen mehrere Spüldurchgänge mit Wasser und anderen Medien. In UHT-Anlagen für Milch beispielsweise sind Wechsel von alkalischen und sauren Reinigungsmitteln charakteristisch. Die Abläufe vollziehen sich bei unterschiedlichen Temperaturen bis hin zu 150 °C während der finalen Desinfektion unter Sterildampf. Ein solcher Temperaturwert gilt auch bei der Ultrahocherhitzung selbst in immer mehr Fällen als erforderlich, da Virenstämme im Laufe der Zeit resistenter werden und die sonst üblichen 135 °C nicht mehr zur Sterilisation ausreichen.

Die Hygienebedingungen stellen vor allem aufgrund aggressiver Reinigungsmittel und der zum Teil schockartigen Temperaturwechsel entsprechende Anforderungen an die eingesetzte Messtechnik. Sie muss die notwendigen Genauigkeiten liefern und zugleich robust sein. Die Druckmessung zum Beispiel erfolgt daher in vielen Fällen über ein Druckmittlersystem mit angebautem Drucktransmitter. Die elektronischen Geräte ermöglichen die Einbindung der Messanordnung in automatisierte Prozesse sowie in digitalisierte Strukturen.

Die Druckmittler arbeiten mit einer frontbündigen, gut reinigbaren Edelstahl-Membran. Das sensitive Messelement ist für die herkömmlichen Prozessbedingungen ausgelegt. Es kann allerdings bei anhaltenden Extrembelastungen beschädigt werden, aggressive Reinigungsmittel können zu einer schleichenden Perforation führen. Ein solcher Schaden lässt sich bei üblichen Druckmittlersystemen nicht unmittelbar detektieren. Die Folge: Die Flüssigkeit zur Druckübertragung tritt aus und kontaminiert das Produkt.

Bei den Übertragungsflüssigkeiten im Bereich Food handelt es sich um FDA- und USP-gelistete Stoffe. Lebensmittelhersteller können zu Recht davon ausgehen, dass bei einer Kontamination des Produkts keine Gefahr durch die Flüssigkeit ausgeht. Das ändert aber nichts an der Tatsache, dass in dem Fall der Prozess nicht mehr aseptisch ist, sich zum Beispiel der Geschmack des Produkts verändern kann oder dessen Mindesthaltbarkeit eingeschränkt wird. Von einer Produktreinheit kann also keine Rede mehr sein.

Doppelmembran verhindert Kontamination

Vor diesem Hintergrund entwickelte Wika das patentierte Druckmittlersystem mit Membranüberwachung. Diese Lösung arbeitet mit zwei übereinander liegenden Membranen. Der Zwischenraum ist evakuiert, und ein Druckschalter überwacht das Vakuum. Kommt es zu einem prozessseitigen Membranbruch, hebt sich das Vakuum auf. Das Überwachungsgerät reagiert auf die Druckänderung und veranlasst eine unmittelbare Schadensmeldung. Die zweite Membran schottet derweil den Prozess sicher ab und ermöglicht dem Messgerät, die Druckerfassung bis zur Behebung des Schadens fortzusetzen.

Die bewährte Kontrolllösung hat Wika inzwischen in die nächste Generation überführt. Das neue Druckmittlersystem DMSU21SA mit Prozesstransmitter und Membranüberwachung ist über das Hart7-Kommunikationsprotokoll mit digitalen Systemen kompatibel. Dieses Feature, mit dem das Gerät für den industriellen Wandel gerüstet ist, hat die Weiterentwicklung auch funktional beeinflusst.

Beim Vorgängermodell sind die beiden Hauptkomponenten – Druckmittler plus Messgerät und die Membranüberwachung – separat zu betrachten und zu bewerten. Beide operieren selbstständig, Messgerät und Überwachungsmodul verfügen jeweils über einen eigenen Signalausgang.

Das DMSU21SA hingegen ist als ganzheitliches System konzipiert und in der Form auch EHEDG-, 3A- und IECEx-zugelassen. Sein Prozesstransmitter stellt neben den Angaben zu Prozessdruck, Sensortemperatur und -status nun auch die Information zum Membranstatus zur Verfügung. Er überwacht den Schaltkontakt der Membranüberwachung und gibt im Fehlerfall das Alarmsignal über das Hart-Protokoll aus. Zuvor muss der Sollwert für mindestens 1,5 s erreicht sein. Diese Einstellung verhindert eine ungewollte Alarmierung als Folge von Schocks oder Vibrationen.

Aufgrund seiner digitalen Ausrichtung kommuniziert das neue Druckmittlersystem nur noch über einen Ausgang. Es lässt sich nach dem Plug-&-Play-Prinzip in Betrieb nehmen. Eine Integration in bestehende Hart-Umgebungen erfordert keinen zusätzlichen Aufwand. Das Verlegen eines zweiten Kabelstrangs, der für die Überwachungsfunktion der ersten Systemgeneration notwendig ist, entfällt. Gleiches gilt für eine Neubewertung der Anlage, wie sie in manchen Fällen für das Hinzufügen einer zusätzlichen und eigenständigen Messkomponente vorgeschrieben ist. Dadurch reduziert der Anwender seinen Investitions- und Personalaufwand für das Einrichten oder ein Umrüsten der Messstelle erheblich.

Minimale Installationskosten bei Nachrüstung

Aus diesem Grund kommt das DMSU21A auch für analoge Brownfield-Anlagen in Betracht. Die Elektronik des Transmitters arbeitet generell mit einem 4…20 mA-Signal, auf dem auch Hart aufbaut. In der Ausführung ohne Kommunikationsprotokoll werden die Statusinformationen bei einer Unregelmäßigkeit über einen Fehlerstrom ausgegeben, was das Membran-Monitoring einschließt. Der Stromwert wird mit 3,5 oder 21,5 mA definiert. Im Fall einer Fehlermeldung kann der Anwender deren konkrete Ursache nach Anhalten des Prozesses vor Ort ermitteln. Er hat dabei die Gewissheit, dass die Integrität des Verfahrens bis zum Zeitpunkt der Unterbrechung gewahrt blieb.

Sich selbst kontrollierende Messgeräte erhöhen die Prozesssicherheit und halten die Folgen eines Fehlerfalls in vertretbaren Grenzen. Bei der Membranüberwachung erfährt der Anwender auf die Sekunde genau, wann der Schaden am prozessseitigen Messglied eingetreten ist und kann entsprechende Gegenmaßnahmen ergreifen. Ein zu spät entdeckter Membranbruch kann rasch einen großen wirtschaftlichen Schaden nach sich ziehen. Eine UHT-Anlage im 24-Stunden-Betrieb zum Beispiel verarbeitet pro Stunde bis zu 30.000 l Milch. Im Fall einer Kontamination entstünde in vergleichsweise kurzer Zeit eine gewaltige Ausschussmenge. Ein Druckmittlersystem mit Membranüberwachung beugt einem solchen Verlust vor. Zudem erspart es eine im Zweifelsfall notwendige Risikobewertung mit einem entsprechenden Zeit- und Kostenaufwand. Unter dem Aspekt der Betriebskosten (Opex) betrachtet, folgt daraus: Je größer der Durchsatz in einem Herstellungsprozess, desto wirtschaftlicher der Einsatz sich selbstkontrollierender Messgeräte.

Fazit

Druckmittler sind bei der Anbindung elektrischer Messgeräte an Prozesse in der sterilen Verfahrenstechnik nahezu alternativlos. Druckmittlersysteme mit integrierter Membranüberwachung wahren im Fall eines beschädigten Messglieds die Prozessintegrität und die Reinheit des Produkts. Ein neues ganzheitliches System dieser Art mit Prozesstransmitter und Hart-Protokoll ermöglicht eine solche Selbstkontrolle nun auch in digitalisierten Abläufen.

Bildergalerie

  • Das Membranüberwachungssystem vom Typ DMSU21SA erfüllt die stetig wachsenden Anforderungen der Prozessüberwachung an Anlagen für die sterile Verfahrenstechnik.

    Bild: Wika

  • Das Überwachungssystem ermöglicht eine hygienegerechte Druckmessung für die Bereiche Pharmaindustrie und aseptische Lebensmittelverarbeitung.

    Bild: Wika

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