1 einleitung - Hygienic Design Weihenstephan

Technische Universität München
Wissenschaftszentrum Weihenstephan
für Ernährung, Landnutzung und Umwelt
LEHRSTUHL FÜR VERFAHRENSTECHNIK DISPERSER SYSTEME
DIPLOMARBEIT
zum Thema
„Einsparpotentiale bei der CIP-Reinigung von Produktionsan-
lagen durch konsequentes Hygienic Design“
bearbeitet von: Andreas Dorner
Studiengang: Technologie und Biotechnologie der Lebensmittel
Themenersteller: Univ.-Prof. Dr.-Ing. Karl Sommer
Dr.-Ing. Jürgen Hofmann
1. Prüfer: Univ.-Prof. Dr.-Ing. Karl Sommer
2. Prüfer: Dr.-Ing. Heinz Dauth
Ausgabetermin: 24.10.2008
Abgabetermin: 30.03.2009

Ehrenwörtliche Erklärung
Hiermit versichere ich ehrenwörtlich, dass ich die vorliegende Arbeit selbstständig
und ohne Benutzung anderer als der angegebenen Hilfsmittel angefertigt habe.
Alle Stellen, die wörtlich oder sinngemäß aus Veröffentlichungen entnommen sind,
wurden als solche kenntlich gemacht.
Die Arbeit wurde in gleicher oder ähnlicher Form keiner anderen Prüfungsbehörde
vorgelegt.
Freising, 30.03.2009
Andreas Dorner

Danksagung
Ich bedanke mich bei Herrn Univ. Prof. Dr.-Ing. Karl Sommer für die Möglichkeit
zur Durchführung dieser Arbeit an seinem Lehrstuhl für Verfahrenstechnik disper-
ser Systeme (ehemals: Maschinen- und Apparatekunde) der Technischen Univer-
sität München in Freising-Weihenstephan.
Mein besonderer Dank gilt meinem Betreuer, Herrn Dr.-Ing. Jürgen Hofmann, der
mir stets durch seinen profunden fachlichen Rat jederzeit hilfreich zur Seite stand.
Durch sein Engagement in der Lehre bin ich auf das Gebiet „Hygienic Design“
aufmerksam geworden und führte mich schließlich zur vorliegenden Arbeit.
Für die angenehme und kollegiale Arbeitsatmosphäre im Lebensmitteltechnikum
möchte ich Herrn Dipl.-Brmst. Achim Zeidler recht herzlich danken.
Herr Manuel Ulmer bereicherte meine Zeit als Diplomand im selben Fachgebiet
ungemein. Durch interessante Diskussionen entstand so manche Anregung für
meine Diplomarbeit.
Ebenfalls möchte ich mich bei dem gesamten Werkstattpersonal, stellvertretend
bei Herrn Peter Rauscher, bedanken. Sie standen mir mit praktischem Rat jederzeit
hilfreich zur Seite und fertigten benötigte Bauteile stets einwandfrei an.
Ein herzlicher Dank gilt ebenfalls allen wissenschaftlichen Mitarbeitern, Diplomanden,
Studenten und studentischen Hilfswissenschaftlern des Lehrstuhls für Verfahrenstechnik
disperser Systeme (ehemals Maschinen- und Apparatekunde) für ein
stets angenehmes, freundschaftliches und produktives Arbeitsklima.
Ein besonderes Dankeschön geht an Herrn Dipl.-Ing. Jan-Dirk Prigge, der es mir
ermöglichte am Lehrstuhl für Verfahrenstechnik disperser Systeme (ehemals: Maschinen-
und Apparatekunde) als studentische Hilfskraft für Netzwerke und Computer
mitzuwirken. Seine fachliche sowie menschliche Führungsqualität waren
exzellent.

Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung............................................................................................................. 1
2 Zielsetzung .......................................................................................................... 4
3 Grundlagen und Kenntnisstand ........................................................................... 6
3.1 Definitionen ................................................................................................... 6
3.2 Grundlagen der Reinigung ............................................................................ 6
3.3 Strömungsmechanische Grundlagen.......................................................... 10
3.4 Stofftransport .............................................................................................. 14
3.5 Diffusion ...................................................................................................... 17
3.6 Hygienic Design von Anlagenkomponenten................................................ 19
3.7 Kosten der Reinigung.................................................................................. 24
4 Material und Methoden...................................................................................... 27
4.1 Verschmutzungsmatrix und -verfahren ....................................................... 27
4.2 untersuchte Bauteile ................................................................................... 30
4.3 verwendetes Reinigungsmittel .................................................................... 34
4.4 Detektionsverfahren.................................................................................... 39
4.5 Versuchsaufbau .......................................................................................... 40
4.6 Versuchsdurchführung................................................................................ 41
4.7 Auswertungsmethodik und Statistik................................................................ 44
4.8 Zugrundegelegte Kosten der Reinigung...................................................... 47
5 Versuchsergebnisse und Diskussion................................................................. 51
5.1 Vergleich der Sensoreinbauten................................................................... 51
5.2 Vergleich der Ventilschaltungen.................................................................. 60
5.3 Vergleich von funktionellen Bauteilkombinationen ...................................... 63
5.4 Vergleich von Pumpen ................................................................................ 66
6 Berechnung des Einsparpotentials .................................................................... 70
6.1 Einsparpotential durch hygienische Sensoreinbauten ................................ 71
6.2 Einsparpotential durch hygienische Ventilschaltungen ............................... 75
6.3 Einsparpotential durch Hygienic Design bei funktionellen Bauteilgruppen.. 76
7 Zusammenfassung und Ausblick....................................................................... 79
8 Literaturverzeichnis ........................................................................................... 81
9 Tabellenverzeichnis........................................................................................... 85
10 Abbildungsverzeichnis..................................................................................... 86
I

Abkürzungsverzeichnis
CCD engl: Charge-coupled device
CCP engl: critical control point
CE franz.: Conformité Européenne = Übereinstimmung mit EU-
Richtlinien
CIP engl: Cleaning In Place
COP engl: Cleaning Out of Place
DIN Deutsches Institut für Normung, http://www.din.de
DN engl: Diameter Nominal = Nennweite
EHEDG European Hygienic Engineering & Design Group,
http://www.ehedg.org
EN Europäische Norm
EPDM Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk
GMP engl: Good Manufacturing Practice
HACCP engl: Hazard Analysis and Critical Control Points
HD engl: Hygienic Design
ISO engl.: International Organization for Standardization = Internationale
Organisation für Normung
PST Persulfat-Technologie der Firma Thonhauser Ges.m.b.H.,
Ra
Perchtoldsdorf, Österreich
mittlerer Oberflächen-Rauigkeitswert
RGB Primärfarben rot, grün, blau
SIP engl: Sterilization in Place
UHT engl: ultra high temperature
VDMA Verband Deutscher Maschinen- und Anlagenbauer e.V.,
http://www.vdma.org
II

1 Einleitung 1
1 EINLEITUNG
Die Erwartungshaltung der Verbraucher gegenüber Lebensmitteln ist hoch. Neben
Functional Foods und Wellness-Produkten werden ebenso längere Haltbarkeit und
höhere Qualität gewünscht. Damit Produkte diesen Anforderungen entsprechen
können, muss vor allem die Hygiene im Produktionsprozess einwandfrei sein. Dabei
müssen sowohl primäre Kontaminationen z.B. durch die verwendeten Rohstoffe,
als auch sekundäre Kontaminationen während der Herstellung und Verpackung
so gering wie möglich gehalten, bzw. ganz vermieden werden, damit im Produkt
keine pathogenen Mikroorganismen oder Toxine zu finden sind. Ebenso sollte der
steigenden Zahl an Allergikern Aufmerksamkeit gewidmet werden. Drastisch sind
vor allem Kreuzkontaminationen durch Allergene, die auf eine unzureichende Reinigung
der Produktionsanlagen zurückzuführen sind. Die Auswirkungen eines solchen
Carryovers von Allergie auslösenden Inhaltsstoffen wie z.B. Spuren von
Nüssen in nussfreie Produkte sind zum Teil für Allergiker lebensbedrohlich [33].
Nicht nur der Verbraucher stellt hohe Anforderungen an die Hygiene bei der Lebensmittelproduktion,
sondern auch der Gesetzgeber. Durch das 2002 und 2004
neu gestaltete Lebensmittelhygienerecht werden verbindliche Hygienemaßnahmen
festgeschrieben [8, 9]. Die neue Maschinenrichtlinie aus dem Jahr 2006 [10]
regelt die reinigungsgerechte und damit hygienegerechte Gestaltung und Installation
von Produktionsanlagen. Zudem muss der Hersteller von Lebensmitteln aufgrund
des Produkthaftungsgesetzes [4] ein Gesundheitsrisiko für den Konsumenten
ausschließen können. Neben gesetzlichen Regelungen existieren darüber hinaus
Normen (z.B. DIN) und Empfehlungen von verschiedenen Organisationen (z.B.
VDMA oder EHEDG) die für Lebensmittelhersteller Leitfäden darstellen, um die
Anforderungen der gesetzlichen Bestimmungen erfüllen zu können. Für Audits
muss die Dokumentation der Reinigung, sowie eine Reinigungsvalidierung als
Nachweis vorgelegt werden um zu belegen, dass ein optimaler hygienischer Zustand
der Anlagen erreicht wurde. Voraussetzung ist allerdings, dass sich die Produktionsanlagen
auch vollständig reinigen lassen. Dies wiederum lässt sich nur
durch einwandfreie, hygienische Konstruktion des Bauteils erreichen. Zusammengefasst
wird dieses Thema unter dem Begriff Hygienic Design.

1 Einleitung 2
Die konsequente Umsetzung einer hygienischen Produktion von Lebensmitteln
stellt nicht nur den Schutz des Verbrauchers vor gesundheitlichen Gefahren durch
den Genuss des Nahrungsmittels sicher, sondern hilft z.B. Rückrufaktionen oder
Lebensmittelskandalen und dadurch einen drohenden Imageverlust des Produ-
zenten vorzubeugen. Der finanzielle Schaden sowie eventuell drohende Scha-
densersatzforderungen von Geschädigten dürfen nicht unterschätzt werden, da
deswegen Lebensmittelhersteller schnell an ihre finanziellen Grenzen getrieben
werden können.
Bis zu 33 Millionen Krankheitsfälle werden jährlich in den USA auf pathogene Mik-
roorganismen in Lebensmittel zurückgeführt und fordern bis zu 9000 Tote jedes
Jahr [5]. Für die in dieser Arbeit untersuchten, pathogenen Keime belaufen sich
die gesamten Kosten der davon hervorgerufenen Lebensmittelinfektionen auf bis
zu 12,9 Milliarden US-Dollar. Davon fallen bis zu 50%, d.h. 6,7 Milliarden US-$ auf
Lebensmittel vergiftende Bakterien [5].
Um diese gesundheitliche Bedrohung der Konsumenten zu reduzieren, bzw. so
gering wie möglich zu halten ist eine gründliche Reinigung von Produktionsanla-
gen wichtig. Vor allem aseptisch arbeitende Maschinen müssen gewissenhaft ge-
reinigt werden, um die anschließende Sterilisation der Anlage möglichst effektiv
gestalten zu können. Denn desto weniger Keime sich vor der Desinfektion in der
Anlage befinden, desto wirkungsvoller ist sie. Solche keimarmen Apparate lassen
sich aber nur durch konstruktive Maßnahmen schaffen. Mangelhafte Reinigungsverfahren
sind heute Auslöser von bis zu 20% der GMP-Beanstandungen [32].
Reinigungsschritte sind essentiell für die Lebensmittelsicherheit und oft ein CCP
(critical control point) innerhalb der Produktion von Getränken oder Lebensmittel.
Sie können beispielsweise bis zu 70% des gesamten Wasserverbrauchs und der
Abwassermenge eines Werkes ausmachen. Deshalb ist die Reinigung nicht nur
aus Sicherheitsgründen ein zu beachtender Prozess, sondern birgt auch ein großes
finanzielles Einsparpotential, nicht nur hinsichtlich der Wasserkosten [18].
Eine gründliche Reinigung bedeutet für den Hersteller aber auch Ausfallzeit in der
Produktion, Kosten für Reinigungsmittel, Energie und Wasser. Deswegen sollte
die Reinigungszeit so kurz wie nötig gehalten werden, um möglichst geringe Ausfallzeiten
und Kosten zu verursachen. Zudem wird die Umwelt durch geringeren
Chemikalieneinsatz und reduzierten Abwassermengen weniger stark belastet. Außerdem
ist die Reinigung unmittelbar nach der Herstellung von Lebensmitteln

1 Einleitung 3
durchzuführen, da zu diesem Zeitpunkt der Schmutz noch nicht angetrocknet ist
und sich leichter ablösen lässt. Bei der finanziellen Betrachtung muss aber stets
die Sicherheit des Produktes gewährleistet sein. Somit sollte die Reinigung so
kurz wie möglich, aber effektiv und gründlich durchgeführt werden, um der Pro-
duktsicherheit und den Qualitätsansprüchen der Konsumenten gerecht zu werden.
Eine Analyse des möglichen Einsparpotentials für die Lebensmittelindustrie bei
Verwendung von neuesten, hygienegerecht konstruierten Anlagenbauteilen gegenüber
herkömmlichen, industriell verwendeten Bauteilen mit Hygienerisiken soll
in dieser Arbeit getätigt werden. Durch vergleichende Reinigungsversuche sollen
Ventile, Einbaugehäuse von Sensoren und Pumpen miteinander verglichen werden,
um so dem Nahrungsmittelproduzenten eine Hilfestellung bei der Auswahl
dieser Bauteile bei einer Neuanschaffung bzw. beim Austausch von Anlagenkomponenten
hinsichtlich der Reinigbarkeit geben zu können.
Bei den Untersuchungen für die vorliegende Arbeit werden die Reinigungs- und
Verschmutzungsparameter für die zu vergleichenden Bauteile konstant gehalten,
um nur den Einfluss der Konstruktion auf die Reinigung zu ermitteln. Dabei wird
der zeitliche Reinigungsverlauf, sowie die Gesamtzeit ermittelt in der ein Bauteil
gereinigt werden kann und als sauber und hygienisch einwandfrei gilt.
Aus diesen Versuchsergebnissen lassen sich finanzielle Vorteile durch Berücksichtigung
von Hygienic Design feststellen.

2 Zielsetzung 4
2 ZIELSETZUNG
In der Lebensmittelindustrie werden zum Teil immer noch sinnvolle Investitionen in
Hygienic Design konforme Anlagenbauteile gescheut, da sie aufgrund hoher Anschaffungskosten
vermeintlich teuerer erscheinen. Dabei werden jedoch die gesamten
Lebenszykluskosten (Life Cycle Costs) oftmals außer Acht gelassen. Diese
schließen Betriebs-, Wartungs- und die Entsorgungskosten mit ein [6]. In Abb.
1 (links) sind die Kosten während der Nutzungsdauer eines herkömmlichen Bauteils
dargestellt, sowie rechts daneben ein Bauteil mit höheren Investitionskosten,
dafür aber geringeren Folgekosten. Die Fläche unter den Kurven entspricht den
Gesamtkosten eines Bauteils über seiner Lebensdauer. Daher kann ein Bauteil
mit höheren Anschaffungskosten aber günstigeren Reinigungskosten (Hygienic
Design, rechts) ein billigeres Bauteil mit hygienischen Schwächen (links) im Laufe
seiner Einsatzdauer in den Gesamtkosten durchaus unterbieten. Diese Abwägung
(Trade-Off) zwischen diesen Kosten ist in Abb. 1 (rechts) dargestellt. Die darin
verwendeten Begriffe Ein- und Auszahlung sind in betriebswirtschaftlicher Sicht
exakter als der allgemein verwendete Ausdruck Kosten. Dies soll hier allerdings
vernachlässigt werden.
Abb. 1: Life Cycle Costs [6]
Genau dieses Abwägen soll mithilfe des Vergleichs der laufenden Reinigungskosten
von diversen herkömmlichen Bauteilen mit deren hygienegerechten Alternativen
erleichtert werden. Durch eine Kalkulation mit durchschnittlichen Marktpreisen
der Bauteile und CIP-Reinigungskosten von mittelständischen Molkereien aus einer
vorliegenden Studie der TU München wird das Einsparpotential durch konsequentes
Hygienic Design aufgezeigt.

2 Zielsetzung 5
Das Risiko Anlagen zu betreiben, die nicht vollständig gereinigt werden können
und dadurch ein Kontaminationsrisiko für die produzierten Lebensmittel darstellen,
ist für den Lebensmittelproduzent groß. Die bei einem dadurch ausgelösten Lebensmittelskandal
drohenden Belastungen können von Schadensersatzforderungen
der geschädigten Konsumenten bis hin zum nicht bezifferbaren Imageverlust
und damit verbundenen Umsatzeinbußen für das Unternehmen reichen. Selbst
wenn so ein Szenario nicht zwangsläufig eintreten muss, kann ein Lebensmittelproduzent
durch Verwendung von hygienegerechten Anlagenbauteilen bei der
Produktion die Eintrittswahrscheinlichkeit eines solchen Falls deutlich senken.
Obwohl die Investition in derartige Bauteile teurer ist, lassen sich die laufenden
Kosten der Reinigung reduzieren. Tabelle 1 zeigt die einzelnen Aspekte des Einsparpotentials
hinsichtlich laufender Kosten auf.
Tabelle 1: Einsparpotential bei den laufenden Kosten durch hygienegerechte Bauteile
• Verkürzte Reinigungszeit, dadurch verkürzter Produktionsstillstand
• Geringere Chemikalien- und Additivkosten
• Verringerter Strom-, Dampf- und Brennstoffbedarf
• Weniger Wasser- und Abwasserkosten
Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, den Herstellern von Lebensmitteln eine Argumentationshilfe
bei der Entscheidung für Hygienic-Design konforme Bauteile und
gegen Bauteile mit Hygienerisiko an die Hand zu geben. Sie soll Einsparpotentiale
aufdecken und den wirtschaftlichen Vorteil von Hygienic Design herausstellen.

3 Grundlagen und Kenntnisstand 6
3 GRUNDLAGEN UND KENNTNISSTAND
In diesem Kapitel werden die Grundlagen erläutert, auf die sich die Diskussion der
Versuchsergebnisse stützt.
3.1 Definitionen
Um Einigkeit über die im weiteren Verlauf der Arbeit benutzten Terme zu erreichen
werden in diesem Kapitel einige Begriffe nach der Nomenklatur der EHEDG [19],
sowie etwas ausführlicher nach DIN 10516 „Lebensmittelhygiene – Reinigung und
Desinfektion“ [12] von 2001 definiert.
Reinigbarkeit (Cleanability)
EHEDG: Die Eignung von Bauteilen einfach von Schmutz befreit zu werden.
DIN 10516: So gestaltet und gebaut, dass die unerwünschten Substanzen mit
den empfohlenen Reinigungsmethoden entfernt werden können.
Reinigung
EHEDG: Entfernen von Schmutz, Lebensmittelrückständen, Dreck,
Schmierstoffen oder anderen unerwünschten Stoffen.
DIN 10516: Entfernung unerwünschter Substanzen von Oberflächen von
Räumen, Vorrichtungen und Geräten.
Schmutz
EHEDG: Alles restliche, unerwünschte Material in der Apparatur oder im
Prozessumfeld.
sauber
DIN10516: frei von unerwünschten Substanzen
3.2 Grundlagen der Reinigung
Der Reinigungsschritt muss nicht nur in der Produktion von Lebensmitteln, sondern
auch bei Biotechnologie- bzw. Pharmaprodukten fest in den gesamten Her-

3 Grundlagen und Kenntnisstand 7
stellungsprozess integriert und essenzieller Bestandteil sein. Er dient nicht nur zur
Erfüllung der Ansprüche des Konsumenten, sondern auch dazu die Lebensmittel
hygienisch und sicher zu produzieren und sie vor ungewollten Veränderungen zu
schützen [42].
Schmutz, der durch die Reinigung aus Produktionsanlagen entfernt werden soll,
kann unterschiedlichen Ursprungs sein und aus folgenden Bereichen stammen
[13]:
• physikalische Kontamination
• chemische Kontamination
• mikrobiologische Kontamination
In der Lebensmittelindustrie besteht die Verschmutzung aus in der Anlage verblie-
benen Lebensmittelresten, sonstigen Ablagerungen oder aus Mikroorganismen,
die auf den Oberflächen gewachsen sind [27]. Die genaue Zusammensetzung der
Verschmutzung ist in jedem Lebensmittelbetrieb unterschiedlich und bedarf einer
genauen Anpassung der Reinigung. Eine solche kann entweder trocken durchge-
führt werden oder mit Reinigungsfluid erfolgen. In dieser Arbeit wird ausschließlich
auf die nasse Reinigung eingegangen.
Bei der Nassreinigung müssen stets Schmutz, Reinigungsobjekt und Reini-
gungsfluid aufeinander abgestimmt werden. Die Verfahrensparameter (vgl. Abb. 2)
bewirken gemeinsam das Reinigungsergebnis und können sich begrenzt gegen-
seitig beeinflussen. Deswegen ist es möglich durch bessere Gestaltung (Hygienic
Design) des zu reinigenden Objektes diesen Anteil zu vergrößern, um den Anteil
anderer Parameter, wie z.B. den der Zeit zu reduzieren. Loncin [27] beschrieb in
der Lebensmittelindustrie die Tendenz zu größerem Einsatz mechanischer Energie,
um die Konzentration der Reinigungslösung zu vermindern.

3 Grundlagen und Kenntnisstand 8
Abb. 2: Erweiterter Sinnerkreis zur Darstellung der
Einflussfaktoren im Nassreinigungsprozess [21]
Ein vollständiges Reinigungsprogramm kann nach Loncin [27] folgende Schritte
umfassen (vgl. Tabelle 2). Zu beachten ist dabei jedoch, dass die Zielsetzung, wie
einfache Sauberkeit, keimarme Anlage oder vollkommen keimfreie Bauteile vorher
abgeklärt werden muss.
Tabelle 2: vollständiges Reinigungs- und Desinfektionsverfahren [27] und ihre Funktion [28]
Schritte Funktionen
• Vorspülen Grobe Verschmutzung entfernen
• Alkalische Reinigung Entfernung von organischem Material
• Zwischenspülen Neutralisieren
• Säurereinigung Entfernung von anorganischem Material
• Zwischenspülen Neutralisieren
• Desinfektion Abtötung aller Mikroorganismen
• Nachspülen Entfernen von Reinigungsrückständen
Prinzipiell werden bei der Nassreinigung zwei Verfahren unterschieden, die entweder
nach Demontage manuell durchgeführt werden (COP – cleaning out of place)
oder ohne Zerlegen direkt und automatisch vor Ort (CIP – cleaning in place).
In der vorliegenden Arbeit wird nur auf letztere Variante eingegangen.
Eine CIP-Reinigung zeichnet sich nach Graßhoff [21] dadurch aus, dass die zu
reinigenden Teile entweder nicht demontierbar und deswegen nicht zugänglich

3 Grundlagen und Kenntnisstand 9
sind, wie z.B. Rohrleitungen und Ventile, sowie Bauteile, die ohne Demontage ge-
reinigt werden sollen, wie beispielsweise Zentrifugen. Diese sind geschlossene
Systeme. Aber auch offene Systeme, wie z.B. eine Abfüllanlage oder Tanks werden
in der Industrie automatisch gereinigt.
Eine CIP-Reinigung zeichnet sich nach Majoor [28] durch optimalen Verbrauch
von Wasser, Detergenzien, Sterilisationsmitteln und Dampf aus und weist dadurch
Vorteile gegenüber einer manuellen Reinigung mit Demontage der Anlage auf.
Außerdem werden die durch die Reinigung entstehenden Ausfallzeiten deutlich
reduziert und die Effizienz der Anlagen erhöht. Manuelle Reinigungsschritte können
auf ein Minimum reduziert oder komplett eliminiert werden. Dadurch steigt die
Sicherheit der Mitarbeiter, da sie nicht mehr mit aggressiven oder heißen Reinigungsmitteln
in Kontakt kommen, oder rutschige Innenflächen von Tanks oder
Silos betreten müssen. Zudem wird der Hygienestatus erhöht, da CIP-
Reinigungsprogramme in festgelegten Intervallen durchgeführt werden und somit
nicht von den Mitarbeitern vergessen werden können. Insgesamt wird die Reinigung
zuverlässiger, da sie immer mit den gleichen Parametern durchgeführt wird.
Zudem erfolgt eine automatische Dokumentation der Reinigung um jederzeit den
hygienischen Zustand der Produktionsanlagen nachweisen zu können. Diese Vorteile
der CIP-Reinigung werden in Tabelle 3 zusammengefasst.
Tabelle 3: Vorteile einer CIP-Reinigung [28]
• Kosteneinsparung
• Erhöhte Werksauslastung
• Minimaler händischer Aufwand
• Erhöhte Sicherheit
• Verbesserte Hygiene
• Keine Beschädigungen bei der Demontage zur COP-Reinigung
• Keine Rekontamination beim Zusammenbau COP-gereinigter Bauteile
• Reduzierte Reparatur- und Wartungskosten
Vor allem die höheren Investitionskosten der oftmals speziell nach den Bedürfnissen
der Kunden angefertigten CIP-Reinigungsanlagen stellen einen Nachteil dieser
Reinigungsmethode dar. Diese zum Teil komplizierten Schaltungen und Auf-

3 Grundlagen und Kenntnisstand 10
bauten benötigen tendenziell auch eine umfangreichere Wartung. In stark ver-
schmutzen Anlagen einiger Lebensmittelindustriezweige, wie z.B. in der Fleisch-
warenindustrie ist ihr Einsatz allerdings begrenzt. Die Milch- bzw. Brauereiwirt-
schaft hingegen setzt das CIP-Verfahren seit langer Zeit ein.
Bei geschlossenen Systemen wirken vor allem die kinetische Energie der zirkulierenden
Reinigungsflüssigkeit, sowie chemische Effekte, welche die an der Oberfläche
des zu reinigenden Bauteils anhaftenden Fremdstoffe angreifen und in Lösung
bringen. Diese mechanische Kraft, die tangential zum Schmutz angreift, wird
als Wandschubspannung bezeichnet und trennt die Verschmutzung von der Oberfläche
ab. Offene Systeme (z.B. Behälter) werden durch einen Sprühkopf oder
eine rotierende Düse mit Reinigungslösung beaufschlagt und durch den Aufprall
der Flüssigkeit eine gewisse mechanische Abreinigung erreicht. Der dadurch entstehende
Rieselfilm an der Behälterwand wirkt überwiegend durch den Reinigungsfaktor
Chemie und ist zum großen Teil für den Reinigungserfolg verantwortlich.
Graßhoff [21] zeigt auf, dass die Wandschubspannung die durch manuelles Bürsten
erreicht wird rund tausendfach höher ist, als jene die durch eine CIP-Reinigung
bei praxisüblichen Zirkulationsgeschwindigkeiten von 0,5 bis 3 m/s erreicht werden.
Dies zeigt, dass die Wandschubspannung alleine, selbst bei optimalem Hygienic
Design, nicht ausreicht, um die Haftkräfte der Schmutzpartikel zu überwinden und
so den Reinigungserfolg zu erzielen. Unabdingbar ist demnach der zusätzliche
Einsatz von chemischen Reinigungsmitteln [21, 24, 27].
3.3 Strömungsmechanische Grundlagen
Zum Verständnis des Stofftransports während der Reinigung ist es notwendig die
Grundlagen der Strömungsmechanik zu erläutern.
Die Charakterisierung einer Rohrströmung erfolgt durch die dimensionslose Reynolds-Kennzahl
Re. Diese beschreibt das Verhältnis von Trägheits- zu Reibungskräften
der Flüssigkeit. Reynolds wird aus der mittleren Geschwindigkeit w des

3 Grundlagen und Kenntnisstand 11
Fluids in [m/s], dem Rohrdurchmesser d in [m], sowie der kinematischen Viskosität
ν
in [m²/s] gebildet:
w⋅d Re = (3.1)
ν
Grundsätzlich sind zwei Strömungszustände und ein Übergangszustand möglich
[26]:
Re < 2000 laminare Strömung
2000 < Re < 3000 Übergangsströmung
Re > 3000 turbulente Strömung
Bei laminarer Strömung sind die durch die Viskosität verursachten Reibungskräfte
im Vergleich zu den Trägheitskräften groß. Die Stromlinien liegen nebeneinander
und besitzen keinerlei Austausch untereinander. Durch eine Druckdifferenz ∆p
stellt sich eine entsprechende Strömungsgeschwindigkeit w ein. Dieser Zusam-
menhang ist bei laminarer Strömungsform direkt proportional.
Δp∼ w
(3.2)
Für glatte Rohrleitungen wurde eine kritische Reynoldszahl von Rekrit = 2320 er-
mittelt bei der die Strömungsform von laminar auf turbulent umschlägt. Allerdings
wurden bei komplett störungsfrei ausgeführten Rohren Übergangströmungen bis
zu Re = 10 5 gemessen [24]. Um sicherzustellen, dass im turbulenten Bereich ge-
reinigt wird, sollten nach Hoffmann [22] Reynoldszahlen von Re > 10 5 erreicht
werden.
Bei turbulenter Strömung vermischen sich die Stromlinien über den Rohrquer-
schnitt, es entstehen Wirbel und die geförderte Flüssigkeit tauscht sich aus. Die
Geschwindigkeiten einzelner Teilchen sind unregelmäßig, zur Beschreibung der
Strömung reicht eine mittlere Geschwindigkeit u aus.
Abb. 3: Geschwindigkeitsprofile bei laminarer und turbulenter Strömung im Rohr [30]

3 Grundlagen und Kenntnisstand 12
In Abb. 3 werden die beiden Strömungsformen im Rohr dargestellt. Das laminare
Strömungsprofil entspricht einer Parabel und hat in der Mitte des Rohres die größ-
te Geschwindigkeit. Bei turbulenten Bedingungen bildet sich eine sogenannte Kol-
benströmung aus, die mit konstanter mittlerer Geschwindigkeit über fast den ge-
samten Rohrquerschnitt charakterisiert werden kann. Nur aufgrund der Haftbedin-
gungen an der Rohrwand fällt dort die Geschwindigkeit ab [30].
Für die Beschreibung der Reinigung durch Stoffübertragung ist die Grenzschicht-
strömung an der Rohrwand entscheidend [24], da hier anhaftender Schmutz abge-
löst werden muss. Deswegen ist eine wandnahe Betrachtung nötig.
Abb. 4: Geschwindigkeitsprofile bei laminarer und
turbulenter Strömung nahe einer Wand [30]
Abb. 4 zeigt die Geschwindigkeit des Fluids in Abhängigkeit der Entfernung zur
Wand. An der Wand oder an der durchgehend ausgebildeten Schmutzschicht
herrscht bei beiden Strömungsformen die Geschwindigkeit null und steigt bei beiden
mit zunehmendem Abstand an. Unterschiedlich ist nur innerhalb welchen Abstands
diese Grenzschicht ausgebildet ist.
Bei turbulent ausgebildeter Strömungsform lässt sich die hydrodynamische
Grenzschicht noch weiter unterteilen. In direkter Wandnähe ist die Geschwindigkeit
so gering, dass keine turbulente Austauschbewegung quer zur Strömungsrichtung
erfolgt. Deshalb ist die Strömungsform in diesem Bereich laminar und wird
als laminare Unterschicht bezeichnet. Darüber befindet sich eine Übergangs-

3 Grundlagen und Kenntnisstand 13
schicht deren Grenzen fließend sind und innerhalb derer zeitweise laminare oder
turbulente Strömungsformen auftreten können [22, 24].
Die Dicke dieser laminaren Unterschicht bei turbulenter Rohrströmung (Re > 10 5 )
wurde z.B. von Hoffmann [22] für ein extrem raues Rohr (mittlerer Oberflächenrau-
igkeitswert Ra = 9,1 µm) ermittelt und ist in Abb. 5 in Abhängigkeit von der Strö-
mungsgeschwindigkeit dargestellt.
Abb. 5: Dicke der laminaren Unterschicht in Abhängigkeit von der Strömungsgeschwindig-
keit; d= 50mm, ν =0,413*10 -6 m²/s [22]
Zu erkennen ist, dass mit zunehmender Strömungsgeschwindigkeit die Dicke der
laminaren Unterschicht abnimmt und in einer Größenordnung von 80 bis 10 µm
liegt. Für Rohre mit niedrigeren Ra-Werten würde sich die Dicke weiter verringern.

3 Grundlagen und Kenntnisstand 14
3.4 Stofftransport
Um den Abtrag von Schmutz bei der Reinigung als eine Form des Massenstroms
zu beschreiben, bedient sich die Literatur der Analogie von Wärme- und Stoff-
transport.
Der Wärmetransport überträgt auf Grund von Temperaturunterschieden Energie
zwischen zwei Systemen, in der Form von Wärmeleitung, -konvektion und -
strahlung. Analog zum Wärmetransport kann der Stofftransport als Massentransport
zwischen zwei Systemen, die sich in ihrer Dichte, Konzentration oder anderen
physikalischen Parametern unterscheiden, definiert werden.
Der Stofftransport erfolgt durch Diffusion und Konvektion. Der Massenstrom m � der
in einer turbulenten Strömung zwischen der Rohrwand und dem daran entlang
strömenden Fluid übertragen wird, ist nach Gleichung (3.3) formuliert [2]:
dm(x) � = dA⋅β⋅Δc(x) (3.3)
Wobei β den Stoffübergangskoeffizient und A die Stoffübertragungsfläche darstellt.
Δc(x) in Formel (3.4) ist der Betrag der Konzentrationsdifferenz der diffundierenden
Komponente zwischen der Rohrwand cW und dem strömenden Fluid cFl über
die Rohrlänge x.
Δ c(x) = cW − cFl
(3.4)
Aufgrund der systematischen Ähnlichkeit dieser Transportvorgänge sind auch deren
Berechnungen ähnlich. Somit sind die dimensionslosen Kennzahlen des
Wärmetransport Prandtl Pr und Nusselt Nu direkt auf den Stofftransport übertragbar
und ergeben die dimensionslosen Kennzahlen Schmidt Sc und Sherwood Sh.
Die einzelnen dimensionslosen Kennzahlen sind wie folgt definiert:
Die Prandtl-Zahl beschreibt in der Wärmeübertragung ein Stoffwert-Verhältnis
zwischen der kinematischen Viskosität ν und der Temperaturleitzahl a:
Pr
ν
= (3.5)
a

3 Grundlagen und Kenntnisstand 15
Analog dazu wird die Schmidt-Zahl Sc aus dem Stoffübergang mit der kinemati-
schen Viskosität ν und dem Diffusionskoeffizienten D definiert:
ν
Sc = (3.6)
D
Die Nusselt-Zahl Nu ist ein dimensionsloser Wärmeübergangs-Kennzahl, die mit
dem Wärmeübergangskoeffizienten α, dem Rohrdurchmesser d und der Wärmeleitfähigkeit
λ des Stoffes gebildet wird.
α ⋅d
Nu = (3.7)
λ
Analog dazu gilt beim Stofftransport die Sherwood-Zahl Sh, die mit dem Stoffübergangskoeffizienten
β, dem Rohrdurchmesser d, sowie dem Diffusionskoeffizienten
D der diffundierenden Komponente definiert wird.
β⋅ d
Sh = (3.8)
D
Tabelle 4: Analogie der dimensionslosen Kennzahlen aus Wärme- und Stoffübergang
• Wärmeübergang • Stoffübergang
ν
• Prandtl Pr =
a
ν
• Schmidt Sc =
D
d
• Nusselt Nu α⋅
=
λ
β⋅ d
• Sherwood Sh =
D
Tabelle 4 verdeutlicht die Ähnlichkeiten der Kennzahlen von der Wärmeübertragung
und der Stoffübertragung.
Folglich lässt sich der Wärmeübergangskoeffizienten α durch die Form
Nu = f (Re,Pr,...)
berechnen. Analog dazu wird der Stoffübergangskoeffizient β be-
rechnet, in dem Nu durch Sh und Pr durch Sc ersetzt wird: Sh
= f (Re,Sc,...)
41].
[24, 26,
Da der Stoffaustausch analog zum Wärmeaustausch ist, lassen sich die Ergebnisse
von Kessler [26] bezüglich der Wärmeverteilung in einem T-Stück mit einem
Totende des ca. 2,6-fachen Durchmessers des Hauptrohres mit dem Stoffaustausch
der angestellten Reinigungsversuche vergleichen. Kessler untersuchte die
Temperaturen an verschiedenen Stellen eines T-Stücks während der Durchströ-

3 Grundlagen und Kenntnisstand 16
mung mit Wasser bei 85 °C und turbulenter Strömungsform (Re = 67000). Abb. 6
zeigt, dass selbst nach 16 Minuten der von der Hauptströmung am weitesten ent-
fernte Temperatursensor noch eine Temperaturdifferenz von ca. 20 °C aufzeigte.
Dies zeigt, dass die Strömungsgeschwindigkeit in dieser Totraumtiefe so stark
abnimmt, dass selbst nach 16 Minuten die Temperatur nicht der der Hauptströ-
mung entspricht. Nach Untersuchungen von Graßhoff [20] herrscht in dieser Tiefe
(ca. 2,6d) nur noch eine Geschwindigkeit von 5% der Hauptströmung (vgl. Abb.
11). Somit ist neben dem Wärmeaustausch auch der Stoffaustausch in dieser
Totraumtiefe eingeschränkt und eine Reinigung erschwert.
Abb. 6: Temperaturverteilung in einem T-Stück [26]
Allerdings ist der Temperaturverlauf des Sensors Nr. 2 (in einer Tiefe von ca. 0,5d)
ähnlich der der Hauptströmung. Dieser beruht auf einen Strömungswirbel, der für
einen raschen Austausch des Fluid sorgt und somit auch einen schnellen Tempe-
raturausgleich hervorruft.

3 Grundlagen und Kenntnisstand 17
3.5 Diffusion
Diffusion wird in der DIN 5491 folgendermaßen definiert: „Diffusion ist der Materie-
transport, der als Folge von Konzentrationsgefällen in einem System oder Phasengrenzen
auftritt und zu einem Konzentrationsausgleich führt" [11].
Hierbei kann nicht nur Materie, sondern auch Energie transportiert und ausgeglichen
werden. Werden z.B. gelöste Partikel betrachtet, so ist durch die Brown’sche
Molekularbewegung eine zufällige und ungerichtete Bewegung vorgegeben, die
nach einiger Zeit zu einer statistisch gleichmäßigen Verteilung aller Partikel durch
einen Netto-Fluß von der höheren zur niedrigeren Konzentration führt (vgl. Abb. 7).
Abb. 7: Konzentrationsausgleich durch Diffusion [1]
Adolf Eugen Fick war ein bedeutender Wissenschaftler im 19. Jahrhundert auf
dem Gebiet der Diffusion. Er erkannte, dass Diffusion ein dynamischer molekularer
Prozess ist und entwickelte die Teilchenstromdichte J (Flux) (Gleichung (3.9)):
1 dM
J = ⋅ [kg/m
A dt
2 s] oder [Atome/m 2 s] (3.9)
Sie beschreibt die Geschwindigkeit der Diffusion und wird entweder definiert als
die Anzahl der Atome, die pro Zeiteinheit durch eine Fläche diffundieren, oder mit
dem Massenstrom als die Masse der Atome, die pro Zeiteinheit durch eine Fläche
diffundiert [7].

3 Grundlagen und Kenntnisstand 18
Seine fundamentalen Gesetze sind heute unter dem Namen 1. und 2. Fick’sches
Gesetz bekannt. Das 1. Fick’sche Gesetz macht eine quantitative Aussage über
die im statistischen Mittel gerichtete Bewegung von Teilchen, d.h. wie viele Teilchen
einer Stoffeinheit sich pro Zeiteinheit durch eine Flächeneinheit, die senkrecht
zur Diffusionsrichtung liegt, netto bewegen (vgl. Abb. 8).
Abb. 8: Stationäre Diffusion (1. Fick'sches Gesetz) [1]
∂c
J = −D⋅ (3.10)
∂ x
In Gleichung (3.10) ist die Teilchenstromdichte J in [mol/m 2 s] proportional zu dem
Diffusionskoeffizienten D, sowie dem Konzentrationsgradienten dc/dx (slope, vgl.
Abb. 8). Das negative Vorzeichen bedeutet, dass die Diffusion in Richtung der
niedrigeren Konzentration entlang eines Konzentrationsgradienten verläuft.
Das 2. Fick’sche Gesetz für die eindimensionale Diffusion stellt eine Beziehung
zwischen zeitlichen und örtlichen Konzentrationsunterschieden dar. Es eignet sich
somit zur Darstellung instationärer (zeitabhängiger) Diffusion, im Gegensatz zum 1.
Fick’schen Gesetz, das einen stationären, (zeitunabhängigen) Diffusionsfluss mit
ortsabhängigen Konzentrationsprofilen beschreibt:
2
∂c ∂ c
= D 2
∂t ∂x
(3.11)

3 Grundlagen und Kenntnisstand 19
3.6 Hygienic Design von Anlagenkomponenten
Der Begriff Hygienic Design umfasst nicht nur die reinigungsgerechte Gestaltung
von Bauteilen und Anlagen sondern umfasst z.B. auch Betriebsräume oder die
Auswahl geeigneter Werkstoffe. In diesem Kapitel soll insbesondere auf die Ges-
taltungsgrundsätze für leicht reinigbare Komponenten eingegangen werden.
In CIP-fähigen Komponenten müssen Spalte (z.B. an lösbaren Verbindungen) und
Toträume (z.B. Sensoren in T-Stücken) vermieden werden, um eine vollständige
Reinigung zu gewährleisten [23]. Diese Prinzipien sollten sowohl für die Produkti-
on von flüssigen Lebensmitteln berücksichtigt werden, als auch für trockene Nah-
rungsmittel deren Produktionsanlagen nass gereinigt werden (z.B. Sprühtrock-
nungsanlagen).
Alle Rohrleitungsverbindungen stellen Unterbrechungen der inneren Oberfläche
dar und sind somit schwieriger zu reinigen und weniger korrosionsbeständig. Des-
halb sollten sie vermieden, bzw. auf ein Minimum reduziert werden [16]. Wenn
möglich, ist ein gebogenes Rohr einem verschweißten oder verschraubten Bogen
vorzuziehen. Eine einwandfreie Schweißnaht stellt im Gegensatz zu einer lösbaren
Verbindung mit Spalt kein hygienisches Risiko dar. Manchmal lassen sich aber
lösbare Verbindungen in Produktionsanlagen nicht vermeiden. Die EHEDG hat
Empfehlungen erarbeitet, wie hygienegerechte, lösbare Rohrverbindungen gestaltet
sein sollen [16]. Diese formuliert die EHEDG folgendermaßen (vgl. Tabelle 5):
Tabelle 5: Konstruktionsempfehlungen für lösbare Verbindungen
• Koaxiale Anordnung der beiden Rohre (Zentrierung)
• Axialer Anschlag für eine kontrollierte Verpressung des Elastomers
• Expansionsraum für die thermische Ausdehnung der Dichtung
• Vermeiden von scharfen Kanten um die Dichtung nicht zu schädigen
• Spaltfreiheit (soweit technisch möglich)

3 Grundlagen und Kenntnisstand 20
Abb. 9: Rohrleitungsverbindungen mit Hygienerisiko (links) und nach Hygienic Design Kri-
terien konstruierte (rechts) [16]
Abb. 9 zeigt links unten (1.3) eine Milchrohrverschraubung nach DIN 11851, wel-
che nach EHEDG nicht CIP-fähig ist, aber in der Lebensmittelindustrie oftmals
trotzdem in CIP-Kreisläufen zum Einsatz kommt. Eine hygienische Variante dazu
stellt Abb. 9 rechts unten (1.4) dar, welche nach DIN 11864 gefertigt ist und den
Hygienic Design Kriterien entspricht.
Eine weitere Problemstelle in CIP-fähigen Rohrleitungssystemen stellen z.B. Sensoreinbauten
dar, welche im ungünstigsten Falle durch die Ausbildung eines
Totraumes einen nicht zu reinigenden Bereich darstellen. Nähere Untersuchungen,
auf denen das EHEDG Dokument Nr.8 [17] beruhen, führte Graßhoff an der Bundesanstalt
für Milchforschung in Kiel durch [20]. Er untersuchte die Strömungsverhältnisse
in Totenden von T-Rohrstücken (aus Polycarbonat) in CIP-gereinigten
Rohrleitungssystemen anhand optischer Untersuchungsmethoden. Ebenso machte
er das Flüssigkeitsaustauschverhalten in den Toträumen mittels Kunststoffkü-

3 Grundlagen und Kenntnisstand 21
gelchen mit einer ähnlicher Dichte von Wasser sichtbar. Dabei untersuchte er drei
verschiedene Strömungsfälle (vgl. Abb. 10).
Abb. 10: Strömungsformen in einem T-Formstück
Im Strömungsfall I wird das Totende tangential angeströmt. Im Falle II wird der
Totraum angeströmt, die Hauptstromrichtung knickt um 90° ab. Anders ist dage-
gen Fall III, hier knickt der Hauptstrom ebenfalls ab, das Totende wird aber nicht
direkt angeströmt.
Das dimensionslose Verhältnis u/vH der durchschnittlichen Strömungsgeschwin-
digkeit u der Partikel im Totraum zu der Hauptströmungsgeschwindigkeit v wur-
de graphisch aufgetragen.
Abb. 11: Relative Strömung im Totraum, Strömungsfall I [20]
In Abb. 11 wird deutlich erkennbar, dass im Fall I die relative Strömungsgeschwin-
digkeit u/v H bei einer Tiefe des einfachen Rohrdurchmessers auf das ca. 0,13-
H

3 Grundlagen und Kenntnisstand 22
fache der Hauptströmungsgeschwindigkeit abfällt und bereits bei einem Totraum
von 2d, bzw. 4d nur noch 8%, bzw. 2% der Hauptströmungsgeschwindigkeit er-
reicht wird. Bei noch längeren Totenden nähert sich die Kurve fast gegen 0 an und
die strömungsmechanische Wirkkomponente einer Reinigung entfällt fast vollstän-
dig. Dadurch kann nur noch die eingesetzte Chemikalie über Diffusionsvorgänge
bei einer Reinigung wirken.
Abb. 12: Relative Strömung im Totraum, Strömungsfall II [20]
Weniger stark fallen dagegen die Teilchengeschwindigkeiten im Strömungsfall II
ab (vgl. Abb. 12). Hier liegen sie bei 27% (1d), 15% (2d) und 4% (4d) der Geschwindigkeit
der Hauptströmung. Der Grund für die etwas höheren Relativgeschwindigkeiten
und deswegen auch für die bessere Reinigbarkeit ist die direkte
Anströmung des Totbereichs. Dadurch reichen die Verwirbelungen weiter als bei
dem tangential angeströmten Totraum des Strömungsfalles I.

3 Grundlagen und Kenntnisstand 23
Abb. 13: Relative Strömung im Totraum, Strömungsfall III [20]
Konsequenterweise resultiert die Strömungsumkehrung von Fall II auf Fall III in
weniger starken Verwirbelungen, was eine schnellere Abnahme der Teilchenge-
schwindigkeit im Totraum bewirkt. Abb. 13 zeigt z.B. eine Strömungsgeschwindig-
keit von 12% (1d), 5% (2d) und 2% (4d). Beim Vergleich der drei Strömungsfälle
(vgl. Tabelle 6) wird ersichtlich, dass die Strömungsfälle I und III ähnlich ungünstig
zu reinigen sind und nur Fall II eine etwas weniger schlechte Reinigbarkeit auf-
weist.
Tabelle 6: Vergleich der Teilchengeschwindigkeiten zur Hauptströmungsgeschwindigkeit
Totraumtiefe Fall I Fall II Fall III
1d 13% 27% 12%
2d 8% 15% 5%
4d 2% 4% 2%
Problematisch wird die Situation, wenn solche Bauteile mit Wasser vorgespült
werden und im Anschluss Reinigungslösung im CIP-Kreislauf gepumpt wird. Dabei
dauert es sehr lange bis das sich im Totraum befindliche Spülwasser von der Rei-
nigungsflüssigkeit mit der wirksamen Reinigungschemikalie verdrängt wurde [20].
Unter Umständen dauert die alkalische oder saure Reinigungsphase des CIP-
Verfahrens nicht so lange an, dass das vorgelegte Spülwasser durch das Reini-
gungsfluid ersetzt wurde. Das erfolgt bei einer Strömungsgeschwindigkeit von

3 Grundlagen und Kenntnisstand 24
vH = 2,6 m/s bis zu einer Tiefe von 3d spontan, das weitere Vordringen erfolgt al-
lerdings nur noch schleichend. So dauert der Austausch der Flüssigkeiten bei 10
Rohrdurchmessern bereits mehr als 40 Minuten. Bei geringeren Strömungsgeschwindigkeiten
von v = 1,0 m/s dauert dieser Austausch bei einer Tiefe von 8d
beispielsweise ca. 30 Minuten. Solche Zeitspannen finden aufgrund der dadurch
verursachten Kosten in keinem CIP-Programm Platz und müssen daher unbedingt
vermieden werden [20].
3.7 Kosten der Reinigung
Die Reinigung ist ein fester Bestandteil der Lebensmittelproduktion. Jedes Unternehmen
muss aber aus ökonomischen Gesichtspunkten heraus bestrebt sein die
damit verbundenen Kosten so gering wie möglich zu halten, ohne den Reinigungserfolg
zu gefährden.
Nach Wildbrett [15] setzen sich die Kosten für Reinigung wie in Tabelle 7 gezeigt
zusammen.
Tabelle 7: Kosten für die Reinigung [15]
Kosten für
Kostenart Personal Sachbedarf Betrieb Sonstiges
Planung der Reinigungs- und Desinfektionsverfahren
+
Planung des Bedarfs an technischen
Einrichtungen und Hilfsmitteln
+
Beschaffung technischer Einrichtungen
und Hilfsmittel
+
Installation technischer Hilfsmittel + +
Verbrauch an Wasser +
Verbrauch an chem. Hilfsmitteln +
Verbrauch an Energie (thermisch, elektrisch,
mechanisch)
+
Abwasserreinigung +
Personal für Reinigung und Desinfektion +
Erfolgskontrolle + +

3 Grundlagen und Kenntnisstand 25
Kosten für
Kostenart Personal Sachbedarf Betrieb Sonstiges
Laborbedarf + +
Reparaturen Ersatzbeschaffung
Personalschulung, -fortbildung +
Rüstzeiten +
In einer anderen Publikation [18] wird die Zusammensetzung der laufenden Kos-
ten ähnlich beschrieben:
• Frischwasser
• Abwasser
• Chemikalien
• verlorene Rohstoffe / Produkte
• Energie
• Zeit
• Produktionsausfall
Im Speziellen spielt vor allem in Getränkeabfüllbetrieben der Wasserverbrauch
einer CIP-Reinigung eine große Rolle, da extrem viel Wasser, wie in Abb. 14 zu
erkennen ist, verbraucht wird. Demnach entstehen durch eine CIP-Reinigung hohe
Kosten allein durch den Wasserverbrauchs, ohne die anderen Kostenarten aus
Tabelle 7 zu berücksichtigen.
Abb. 14: Analyse der Wasserverbräuche in Getränkeabfüllbetrieben in den USA [36]

3 Grundlagen und Kenntnisstand 26
Die Gesamtkosten der Reinigung steigen in Deutschland laut dem statistischen
Jahrbuch 2008 [35] kontinuierlich an, wie Abb. 15 zeigt.
Veränderung [%]
180
160
140
120
100
80
60
40
20
0
Preisindex Deutschland
2005 2006 2007 2008 (Mai)
Zeit [Jahr]
Wasserversorgung
Abwasserentsorgung
Strom
Gas
fl. Brennstoffe (leichtes Heizöl)
Abb. 15: Preisindex der Bundesrepublik Deutschland [35]
Die in Abb. 15 gezeigten Veränderungen des Preisindex beziehen sich auf private
Haushalte, lassen aber durchaus den tendenziellen Schluss auf das produzieren-
de Gewerbe zu, da nicht die absoluten Preise betrachtet werden, sondern die Kos-
ten auf das durchschnittliche Preisniveau von 2005 bezogen sind. Die stärkste
Verteuerung in den letzten drei Jahren weisen flüssige Brennstoffe auf (+63%).
Gas- und Strompreise stiegen ebenfalls um 18% bzw. 25% an. Die prozentuale
Änderung der Preise für Wasser und Abwasseraufbereitung beträgt 3,4%, bzw.
3,0% was immer noch deutlich über den üblichen Inflationsraten der letzten Jahre
für Deutschland liegt (1% bis 2%).
Im Kapitel 4.8 zugrundegelegte Kosten der Reinigung werden nähere relevante
Angaben zu den durch die Reinigung entstehenden Kosten anhand eines Unternehmensvergleichs
dargelegt.

4 Material und Methoden 27
4 MATERIAL UND METHODEN
4.1 Verschmutzungsmatrix und -verfahren
Eine statistisch abgesicherte Untersuchung der Reinigbarkeit von Anlagenteilen
setzt voraus, dass diese nicht nur reproduzierbar abgereinigt werden, sondern
ebenfalls immer in gleicher Art und Weise verunreinigt werden. Deswegen sollte
eine Verschmutzungsmatrix bei der Präparation der zu testenden Bauteile immer
die gleiche Zusammensetzung und gleiche Eigenschaften aufweisen. Eine Verschmutzungsmatrix
sollte für Reinigungsversuche von Bauteilen der Lebensmittelproduktion
folgende Kriterien erfüllen:
• Ungiftigkeit
• Gefahrlos zu handhaben
• Schonend zum Abwasser
• Hohe Lagerstabilität
• Ausbildung eines homogenen Films auf der inneren Bauteiloberfläche
• Gute Löslichkeit in Wasser bzw. im Reinigungsfluid
• Günstige Beschaffung
• Ähnlichkeit zu Lebensmitteln
Alle diese Eigenschaften werden von einer Saccharose-Lösung erfüllt. Saccharose
ist ein Disaccharid aus den beiden Monomeren D-Glucose und D-Fructose (vgl.
Abb. 16)
Abb. 16: Molekülstruktur von Saccharose

4 Material und Methoden 28
Damit eine ausreichende Filmdicke im Inneren des Bauteils realisiert werden kann,
muss die Viskosität der eingefüllten Saccharoselösung hoch genug sein, damit ein
zu starkes Abfließen nach dem Einfüllen verhindert wird. Zum einen muss genügend
Verschmutzungsmatrix im Bauteil verbleiben und zum anderen sich diese als
geschlossener, homogener Film ausbilden. Nach praktischen Versuchen an einer
schrägen Edelstahlplatte zeigte 73% Saccharoselösung bei 8 °C appliziert und
unter trockener, ölfreier Druckluft getrocknet einen idealen Film.
Zur Herstellung dieser homogenen Lösung wird handelsüblicher Zucker und Wasser
im Verhältnis von 2,66 zu 1 vermischt. Dies entspricht einer Löslichkeitszahl
qL = 2,66. Diese gibt an, wie viel Saccharose (in g) in 1 g Wasser löslich ist. Ebenfalls
gebräuchlich ist eine Angabe des Sättigungsgehaltes s = 0,73 (in g/g Lösung)
oder in Prozent (s = 73%). Bei einer Raumtemperatur von t = 20 °C beträgt der
Sättigungsgehalt von Saccharose in Wasser nur 66,72% [29, 34], d.h. die angestrebte
Sättigung von 73% ist bei dieser Temperatur nicht realisierbar. Da die Löslichkeit
aber mit zunehmender Temperatur steigt, kann bei einer Temperatur von
über 55 °C bereits eine Sättigung von 73.18% Saccharose bzw. 73,18 g Saccharose
/100 g Lösung erreicht werden.
Abb. 17: Sättigungskennlinie von Saccharose-Lösungen [34]
Kühlt diese bei 55 °C gesättigte Zuckerlösung ab, so wird die Lösung an Zucker
„übersättigt“ (vgl. Abb. 17). Solange jedoch die Übersättigung sich innerhalb der

4 Material und Methoden 29
metastabilen Zone befindet und sich keine Kristalle bereits in der Lösung befinden
kommt es nicht zu einer spontanen Auskristallisation des Zuckers. Dadurch bleibt
bei niedrigeren Temperaturen (z.B. 8 °C) mehr Zucker gelöst als die Löslichkeitskurve
bei dieser Temperatur beschreibt [34].
Da mit abnehmender Temperatur und zunehmenden Trockensubstanzgehalt der
Saccharoselösung die Viskosität steigt, verlangsamt sich das Abfließen der Lösung
von der Oberfläche des Bauteils und bildet einen dickeren Film aus als eine
niedrigviskose Saccharoselösung. Ein zu dünner Film würde zu schnell abgereinigt
werden und eine zeitliche Aufnahme der Reinigung wäre erschwert. Diese
Temperatur–Trockensubstanzgehalt–Kombination zeigte gute Filmeigenschaften.
Diese Lösung weist nach Erkalten und Lagerung im Kühlschrank bei 8 °C eine
gemessene Viskosität von ca. 4060 mPa ⋅ s unabhängig von der Scherrate auf
(siehe Abb. 18).
Viskosität [Pa*s]
4.4
4.3
4.2
4.1
4
3.9
3.8
3.7
3.6
3.5
Viskosität von 72% Saccharose-Lösung bei 8°C
0.1 2.58 5.05 7.53 10
Scherrate [1/s]
Abb. 18: Viskosität der Zuckerlösung in Abhängigkeit der Scherrate
Die zu untersuchenden Anlagenbauteile werden mit der zähflüssigen Saccharose-
lösung ausgegossen, mehrfach geschwenkt, um eine vollständige Benetzung der
Innenfläche zu gewährleisten und anschließend im schrägen Zustand (zur kompletten
Entleerung) montiert. Die Verschmutzungsmatrix läuft aus und der im Bauteil
zurückbleibende, anhaftende Film wird ca. 24 Stunden mit absolut trockener,
ölfreier Druckluft getrocknet, damit sich eine homogene Verschmutzungsmatrix auf

4 Material und Methoden 30
der produktberührten Innenseite des Bauteils ausbilden kann. Durch eine reprodu-
zierbare Verschmutzung und die konstant gehaltenen Reinigungsparameter kön-
nen die Reinigungsversuche verschiedener Bauteile miteinander verglichen wer-
den.
4.2 Untersuchte Bauteile
Die getesteten Komponenten einer Produktionsanlage der Lebensmittelindustrie
sollen den Vergleich von Bauteilen mit hygienischen Schwachstellen mit konse-
quent nach Hygienic Design Richtlinien gestalteten Anlagenbauteilen ermöglichen.
Dazu werden in der vorliegenden Arbeit unterschiedliche Möglichkeiten der Integ-
ration von Sensoren, sowie verschiedene Ventile und Pumpen untersucht.
T-Stücke:
Verwendet wurden T-förmige Edelstahlrohre mit einem Innendurchmesser von
25 mm (DN25). Die Länge des nicht durchströmten, toten Endes beträgt den ein-
fachen Innendurchmesser des Bauteils mit 25 mm. Des Weiteren wurden T-
Stücke mit Totenden des zwei- und vierfachen Innendurchmessers verwendet.
Um die Abreinigungsergebnisse nicht durch schwer zu reinigende Spalte in Rohr-
verbindungen, wie z.B. die Milchrohrverschraubung nach DIN 11851, zu verfäl-
schen, wird das Bauteil durch Flansche mit einer hygienegerechten O-
Ringdichtung aus EPDM (BioConnect der Firma Neumo) in den Reinigungsstand
integriert. Das tote Ende des T-Stücks besitzt ebenfalls einen Flansch mit einem
BioConnect O-Ring und einem Deckel, damit das Verschmutzungsergebnis, sowie
der spätere Reinigungserfolg kontrollierbar sind und nicht durch zusätzliche, problematische
Spalte verfälscht werden. Die Flansche werden jeweils mit Clamp-
Verbindungen fixiert.
Rohre:
Die überprüften, geraden Edelstahlrohre, die als Referenzbauteile für das Abreinigungsverhalten
dienen, haben eine Länge von 150 mm bis 220 mm bei einem Innendurchmesser
von 25 mm und wurden über eine Milchrohrverschraubung nach

4 Material und Methoden 31
DIN 11851 in den Reinigungsstand eingebunden. Damit eine Verfälschung des
Reinigungsverlaufs durch diese Rohrverbindung so gering wie möglich ausfällt,
werden der Spalt und die Dichtung dieser Verbindungsart gewissenhaft vor dem
Reinigungsversuch von jeglicher noch anhaftender Verschmutzungsmatrix gerei-
nigt.
VARINLINE-Gehäuse für die Sensoranbindung:
Das in Abb. 19 gezeigte Bauteil der Firma GEA Tuchenhagen dient zur hygieni-
schen Einbindung zweier Sensoren in ein Rohrleitungssystem. Bei der Entwick-
lung wurde besonders auf CIP- und SIP-Fähigkeit geachtet und kann direkt in das
Leitungsgefüge eingeschweißt werden. Es können sich keine Pfützen oder Dome
ausbilden und die O-Ring-Dichtungen sind spaltfrei und produktbündig [40]. Im
Rahmen dieser Arbeit wurde ein VARINLINE Gehäuse mit DN 25 untersucht.
3-Wege-Ventil:
Abb. 19: VARINLINE Gehäuse zur Sensoranbindung [40]
Das Einsitz-Umschalt-Ventil der Firma GEA Tuchenhagen GmbH ist vom Typ XW-
DN25-SZ und wird in einer fest fixierten Ventiltellerposition zuerst mit der Ver-
schmutzungsmatrix beaufschlagt, getrocknet und anschließend gereinigt. Dabei
sind nur zwei der drei Einläufe miteinander verbunden. Angeschlossen wird das
Ventil über eine Aseptik-Verbindung mit einem O-Ring aus EDPM nach DIN 11864.

4 Material und Methoden 32
Pumpen:
Verglichen wurden eine einstufige (Typ Durietta 0/1), sowie eine dreistufige (Typ
Contra-I/3) Kreiselpumpe der Firma Hilge aus Bodenheim. Diese besitzen einen
Motor mit einer Leistung von 0,75 kW bzw. 2,2 kW und werden beide über eine
Steuerung der Firma Siemens (Typ Micromaster) angesteuert. Die Gleitringdich-
tungen sind bei der einstufigen Durietta aus Siliziumcarbid (SiC) und Hartmetall
und bei der dreistufigen Pumpe jeweils aus SiC/SiC. Diese dürfen keinesfalls tro-
cken laufen. Um eine Verfälschung der Reinigungsversuche durch evtl. bereits
vorhandene Verschmutzung auszuschließen, wurden beide Kreiselpumpen vor
den Abreinigungsversuchen einmal komplett zerlegt, mit 1%iger Säure und 1%iger
Lauge gereinigt, neutral gespült und wieder montiert.
An den Reinigungsstand angeschlossen wird die kleinere, einstufige Pumpe über
eine herkömmliche Milchrohrverschraubung (DIN 11851) und die größere, dreistufige
Kreiselpumpe über eine Aseptik-Verschraubung nach DIN 11864. Um den
tangentialen Auslauf, sowie den zentral liegenden Einlauf der Pumpen in den geraden
Verlauf des Versuchsstandes integrieren zu können, waren je mehrere Bögen
mit Nennweite DN25 nötig.
Komplexe Bauteile:
Ein funktioneller Vergleich einer Bauteil-Kombination in hygienegerechten Design
mit einer Anordnung von nicht hygienegerechten Einbauten wurde angestrebt.
Erstere besteht aus einem VARINLINE-Kugelgehäuse der Firma GEA Tuchenhagen
mit zwei Deckelgläsern, die zwei plane, produktbündig montierte Sensoren
simulieren. An dieses Gehäuse können zwei Messfühler montiert werden (vgl. Abb.
20). Dahinter ist ein Temperatursensor geschalten, der innen eine zylindrische
Oberfläche ohne Totbereiche und Spalten aufweist. Ebenfalls ist ein Einsitz-
Umschalt-Ventil verbaut, welches so geschalten ist, dass zwei der drei Wege verbunden
sind. Die Stellung der Ventilteller wird nicht verändert.

4 Material und Methoden 33
Abb. 20: Bauteil nach Hygienic Design Kriterien
Die in Abb. 21 dargestellte, nicht nach Hygienic Design Kriterien aufgebaute Kom-
bination besteht aus drei unterschiedlichen T-Stücken für die Sensorenanbindung:
Ein nicht angeströmtes Totende vom sechsfachen Rohrdurchmesser (6d), sowie
ein T-Stück mit einem 3d Totraum und ein T-Stück mit Erweiterung des Rohrlei-
tungsdurchmessers von 25 mm auf 50 mm von insgesamt 5d. Im Anschluss folgt
eine Erweiterung des Rohrleitungsquerschnittes von 25 mm auf 50 mm um eine
Schwachstelle aufgrund niedrigerer Strömungsgeschwindigkeit zu simulieren. Diese
Querschnittsänderungen sind in der Industrie immer wieder anzutreffen. Am
Ende der Konstruktion befinden sich zwei, rechtwinklig zueinander stehende Klappenventile,
die eine Steuerung des Strömungsweges ermöglichen. Das direkt angeströmte
Ventil ist geschlossen und verursacht einen Totraum des fünffachen
Rohrdurchmessers. Der Ausfluss aus dem Bauteil erfolgt durch das geöffnete,
rechtwinklig zur Hauptströmung angeordnete Klappenventil. Die einzelnen
Rohrstücke, Erweiterungen, Deckel und Ventile werden durch Milchrohrverschraubungen
nach DIN 11851 miteinander verbunden. Diese Bauteilkombination
wird in zusammengebautem Zustand verschmutzt und weißt deshalb in den Spalten
der lösbaren Verbindungen Verschmutzungsmatrix auf. Diese stellen in der
Industrie ebenfalls ein Hygieneproblem dar, falls sie zur Reinigung nicht demontiert
werden, sondern in einem CIP-Kreislauf eingebunden sind.
Abb. 21: Bauteil mit Hygienerisiken

4 Material und Methoden 34
4.3 Verwendetes Reinigungsmittel
Für eine optimale Reinigung von Produktionsanlagen muss einerseits sicherge-
stellt werden, dass die Anlage nach der Produktion wieder sauber und in hygie-
nisch einwandfreiem Zustand ist, andererseits bedeutet Reinigung aber auch Pro-
duktionsstillstand und verursacht Kosten durch z.B. Wasser- und Energieeinsatz.
Um demnach eine Reinigung nicht länger als nötig durchzuführen, ist es wichtig,
zu wissen, zu welchem Zeitpunkt eine Anlage sauber ist, um nicht längere Zeit
unnötig zu reinigen. Somit wird zur Ermittlung dieses Zeitpunkts ein Reinigungs-
verfahren notwendig, mit dem in Echtzeit eine Aussage über den Reinigungserfolg
getroffen werden kann.
Laut der Produktspezifikation von „Smart Add 12“ [39] handelt es sich um eine
schwach alkalische, violette, niedrig viskose Flüssigkeit, die auf der Grundlage von
Wasser und anorganischen Elektrolyten basiert. Diese muss mit einer Lauge, z.B.
NaOH auf einen pH > 12 gebracht werden, damit die Reinigungs- und Desinfekti-
onswirkung, sowie die Farbindikatorfunktion gewährleistet werden kann.
Diese Aufgabe erfüllt das Reinigungsmittel der Firma Thonhauser namens „Smart
Add 12“, das auf der sogenannten Persulfat-Technologie basiert. Es löst und
transportiert die Verschmutzung ab und wirkt zugleich als ein Redoxindikator, der
seine Farbe von violett über grün nach gelb ändert, je stärker die organische Verschmutzung
ist (vgl. Abb. 22). Dabei wird die Organik vollständig zu mineralischen
Bestandteilen oxidiert [25].
Abb. 22: Farbverlauf von Thonhauser Smart Add12 [38]
Die genaue Abfolge der verschiedenen Farben der Reinigungsflüssigkeit wird
durch die verschiedenfarbigen Mangan-Spezies hervorgerufen. Mn 7+ ist violett,
Mn 6+ ist grün und Mn 2+ hat eine gelb-orange Farbe, wie aus Abb. 23 hervorgeht.

4 Material und Methoden 35
Abb. 23: Farbverlauf der Farben der Mangan-Spezies bei steigender Verschmutzung [37]
Im frisch angesetzten Zustand der Reinigungsflüssigkeit mit Smart Add 12 liegen
alle Mangan-Ionen in der Mn-7 Form vor. Kommt dieses Mn 7+ mit organischer
Substanz in Kontakt, werden diese reduziert und es entsteht eine Mn 6+ -Spezies,
die eine grüne Farbe aufweist. Je mehr Mn 7+ Ionen verbraucht werden, entstehen
genauso viele Mn 6+ -Spezies. Steigt die organische Substanz weiter an, so wird
das Mn6 weiter zu Mn2 reduziert.
Diese orange-gelbe Mn 2+ Ionen spielen bei den im Rahmen dieser Arbeit durchge-
führten Reinigungsversuche keine Rolle, da zum einen nur eine sehr kurze Reak-
tionszeit von ca. 23 s zwischen dem ersten Kontakt des Reinigungsfluids mit or-
ganischem Material und der Detektion im Photo-Eye besteht. Zum anderen sind
die Mengen an Verschmutzung im Inneren des Bauteils eher gering, da sich nur
ein dünner Film auf der Innenoberfläche des Bauteils ausbildet. Die beobachteten
Farben im Detektionssystem waren maximal bis zur grünen Mn 6+ Spezies erkenn-
bar.
Diese Farbänderung wird mit einem optischen Detektionssystem gemessen, wel-
ches in Kapitel 4.4 Detektionsverfahren näher erläutert wird. Ein aus den aufge-
zeichneten Daten errechneter Wert ist der Violettwert. Diese Farbe entspricht dem
Farbwert der violetten Mn7-Spezies und hat sein höchstes Niveau zu Anfang des
Versuchs. Zu diesem Zeitpunkt liegen alle Manganspezies noch in ihrer Mn7-Form
vor. Um das Ende einer vollständigen Reinigung zu ermitteln wurde der Farbwert
der Mangan-7 (Mn 7+ ) Ionen betrachtet und dessen Verlauf während der Versuche
graphisch dargestellt. Die Reinigungsversuche werden verloren durchgeführt, d.h.

4 Material und Methoden 36
die Reinigungsflüssigkeit wird nicht wieder verwendet, sondern in das Abwasser-
system geleitet. Die Reinigung ist dann als vollständig abgeschlossen zu betrachten,
wenn das Ausgangsniveau des Mn 7+ -Farbwertes nach einem nach unten zeigenden
Peak wieder erreicht wird. Diese typischen Peaks spiegeln die Farbänderung
des Redoxindikators wieder und zwar exakt in der Abhängigkeit vom Grad
der organischen Belastung der Anlage. Je weiter der Farbwert für Mn 7+ fällt, desto
mehr organische Substanz reagiert mit dem Reinigungsmittel. Das heißt im Gegenzug
aber auch, wenn weniger organische Substanz nach einer gewissen Reinigungsdauer
noch im Bauteil vorhanden ist, desto mehr nähert sich der Farbwert
der Mn 7+ Spezies wieder dem der Reinigung vorausgehenden Ausgangsniveau.
Ist sämtlicher Schmutz aus dem Bauteil entfernt, strömt frische, violette Reinigungslösung
aus dem Tank in das Bauteil und kommt nun nicht mehr mit organischer
Verschmutzung in Kontakt und ändert deswegen auch seine Farbe nicht
mehr. Der Farbwert der frischen Ausgangslösung ist wieder erreicht und die Reinigung
kann als abgeschlossen betrachtet werden.
Die chemischen Grundlagen der Persulfat-Technologie (PST) von Thonhauser
sollen im Folgenden beschrieben werden. Diese sind in der Produkt- und Prozessbeschreibung
für das verwendete Reinigungsmittel TM Smart Add 12 [39]
aufgeführt. Die beiden wichtigsten Bestandteile sind Peroxodisulfat und Kaliumpermanganat,
welches eine starke, keimabtötende Wirkung besitzt und als Katalysator
für das Peroxodisulfat wirkt, welches unter Temperaturen von 80 °C und einem
pH unter 11 nur sehr langsam reagiert.
Bei der Zugabe von Smart Add 12 zu Wasser bildet sich ein Redoxsystem aus
und die Hydroxidionen des Wassers werden von Peroxodisulfat oxidiert (siehe
Gleichung (4.1)), wobei ein Wasserstoffperoxid-Ion gebildet wird.
3OH + S O → HO + 2SO + H O
− 2− − 2−
2 8 2 4 2
(4.1)
Permanganat wird durch die Hydroxidionen zu Mangan 6 reduziert (Gleichung
(4.2)), aber durch das stärkere Wasserstoffperoxid-Ion wieder zu Mangan 7 oxidiert
(Gleichung (4.3)).
4OH + 4MnO →O↑+ 4MnO +
2H O
− − 2−
4 2 4 2
(4.2)

4 Material und Methoden 37
− 2−
−
HO2 + 2MnO4 + H2O→ 3OH + 2MnO4
−
(4.3)
Dadurch liegen alle Mangan-Spezies in der fertigen Reinigungslösung als Mangan
7 vor. Permanganat oxidiert organischen Schmutz, der als CH2O dargestellt wird,
zu Oxalat (C2O4 2- ) und es entsteht das grüne, 5-wertige Mangan in MnO4 3- (siehe
Gleichung (4.4)).
2{CH O} + 3MnO + 2H O → C O + 3MnO + 8H
− 2− 3−
2 4 2 2 4 4
2
4
+
(4.4)
Aufgrund einer Disproportionierung ist es möglich, dass ein Mn5 und ein Mn7 zu
6-wertigen Mangan reagieren:
MnO + MnO →2MnO
3−−
4 4
− (4.5)
Die Farbe der Reinigungslösung ändert sich von violett (Mn7) nach grün (Mn6),
wenn sie mit organischem Material in Kontakt tritt und diese Reduktion schneller
verläuft als die Reoxidation des Mn6 zu Mn7 durch das Wasserstoffperoxid (vgl.
Gleichung (4.3)).
Die Desinfektions- und Reinigungswirkung dieses Reinigungsmittels beruht auf
einer Radikal-Kettenreaktion, die durch ein Sulfatradikal (SO4 - ) ausgelöst wird.
Dieses Sulfatradikal kann auf drei mögliche Wege entstehen: Homolytische Spaltung
des Peroxodisulfats (Gleichung (4.6)), durch die Oxidation von organischen
Verbindungen (Gleichung (4.7)) und durch Reaktionen mit Mn6- (Gleichung (4.8))
und Mn5-Verbindungen (Gleichung (4.9)):
SO → 2SO
(4.6)
2−
−
2 8 4
1
2SO + 2{CHO} + 2HO→ 2SO + 2SO + {CR} + 4H
2− 2−
−
2 8 2 2 4 4
2− 2− 3− 2−
4 2 4 2 4 3
+ +
MnO + C O + 2H O → MnO + 2CO + 4H
MnO + S O → MnO + SO +
SO
3− 2− 2− 2−
4 2 8 4 4
−
4
+
(4.7)
(4.8)
(4.9)
Das Sulfatradikal entwickelt seine abreinigende Wirkung durch Spaltung von Doppelbindungen
oder aromatischen Strukturen im organischen Material. Dabei ent-

4 Material und Methoden 38
stehen Oxalsäure oder CO2 bzw. CO3 2- . Die Reaktionen des Sulfatradikals sind
die folgenden:
Das Sulfatradikal kann hierbei ein Hydroxid-Radikal bilden (Gleichung (4.10)),
welches organisches Material oxidieren kann (Gleichung (4.11)). Das dabei entstehende
Radikal mit einem Kohlenstoffatom in der Oxidationsstufe +1 kann seinerseits
weitere organische Verbindungen oxidieren und aus einem Peroxodisulfat
ein Sulfatradikal bilden (Gleichung (4.12)). Das Sulfatradikal kann aber auch eine
Reaktion mit Oxalat eingehen, wobei anschließend das SO4 - Radikal regeneriert
wird (Gleichungen (4.13) und (4.14)).
− −
SO4 + H 2O→
HSO4 + OHi
(4.10)
− + 1
+
2OHi+ 2{CH 2O} + H2O→ 2OH + {C R} + 4H
+ 1 2− 2− −
2− +
2 8 2 4 2 4
(4.11)
{C R} + 4S O + H O → 4SO + 4SO + C O + 4H (4.12)
OHi+ C O → OH + C O
2−
− −
2 4 2 4
C O + S O + 2H O → 2CO + SO + SO + 4H
(4.13)
− 2− 2− 2−
− +
2 4 2 8 2 3 4 4
(4.14)
Ähnliche Reaktionen wie das Hydroxid-Radikal (Gleichungen (4. 11) und (4.13))
kann
das Sulfatradikal auch direkt mit organischen Verbindungen oder Oxalat eingehen
(Gleichungen (4.15) und (4.17)). Dabei entstehen wie in Gleichungen (4.12)
und (4.14) ebenso Sulfat-Radikale (Gleichungen (4.16) und (4.18)).
2SO + 2{CH O} + H O → 2SO + {C R} + 4H
− 2− + 1
+
4 2 2 4
(4.15)
+ 1 2− 2− − 2−
+
{C R} + 4S O + H O → 4SO + 4SO + C O + 4H (4.16)
2 8 2 4 4 2 4
− 2− 2−
−
SO + C O → SO + C O
(4.17)
4 2 4 4 2
C O + S O + 2H O → 2CO + SO + SO + 4H
− 2− 2− 2−
− +
2 4 2 8 2 3 4 4
(4.18)
Die Beendigung dieser Kettenreaktionen erfolgen nur durch Rekombination
zweier
Radikale
(Gleichungen (4.19) -(4.24)).
− − 2−
4 4 2 4
4
SO + SO
→ S O
(4.19)
SO + OHi→HSO − −
4 5
(instabil) (4.20)

4 Material und Methoden 39
SO + {C R} + H O → 4SO + C O + 4H
(4.21)
− + 1 2−
2−
+
4 2 4 2 4
OHi+ OHi → H O
(4.22)
+ 1
−
2
2 2
2−
+
4OH i+
{C R} + H O → 4OH + C O + 4H
(4.23)
Unterstützend
zur Reinigungs- und Desinfektionswirkung kommen zusätzlich die
4.4
Detektionsverfahren
+ 1 2−
2 2 4 2
Um eine Verschmutzung in einem
zu untersuchenden Anlagenbauteil detektieren
2 4
3{C R} + 3H O → C O + 4{CH O} + 4OH
−
(4.24)
Freisetzung von Sauerstoff und Wasserstoffperoxid an verschiedenen Stellen des
Reaktionsverlaufes hinzu (Gleichungen (4.1), (4.2) und (4.22)).
zu können, wird ein von Thonhauser entwickeltes Inline-Messgerät verwendet.
Dieses wird am Ende des Versuchsstandes in das Rohrleitungssystem integriert
und detektiert den vom Bauteil abgelösten Schmutz über der Zeit.
Abb. 24: Photo-Eye der Firma Thonhauser [38]
Das
in Abb. 24 gezeigte „Photo-Eye“ besteht aus einem Lichtquellen-Modul (links)
und einem Kamera-Modul (rechts), die an ein Varivent-Kugelgehäuse mit Schaugläsern
montiert sind. Im Inneren der Apparatur befindet sich eine weiße LED, deren
Lampenstrom durch eine Photodiode so geregelt wird, dass eine konstante
Lichtstärke bei unterschiedlicher Farbe oder Trübung des zu messenden Fluids
erreicht wird. Diese konstante Beleuchtung dient einer CCD-Kamera um die Farbe
der Flüssigkeit in RGB-Werten zu detektieren. Ein zusätzlich eingebauter Laser
dient zur Trübungsmessung, dessen Intensität ebenfalls von der Kamera detektiert
wird. Anhand der Abschwächung der Intensität des Lasers durch die Flüssigkeit im

4 Material und Methoden 40
Kugelgehäuse wird die Trübung bestimmt. Bei den durchgeführten Versuchsrei-
hen wird der Laser nicht verwendet, da keine Trübung des Fluids eintritt.
4.5 Versuchsaufbau
Der Versuchsstand, mit dem
die Reinigung verloren gefahren wird, testet die An-
lagenbauteile hinsichtlich ihrer Reinigbarkeit und ist als Rohrleitungs- und Instru-
mentenfließschema (R&I-Fließschema) mit graphischen Symbolen nach DIN EN
ISO 10628 [14] und DIN ISO 1219-1 [14] in Abb. 25 abgebildet.
Abb. 25 Aufbau des Reinigungsstandes
Aus
Abb. 25 wird ersichtlich, dass Frischwasser in einen 1500 l Tank der Firma
Rieger aus Bietingen - Bissingen eingeleitet wird, der durch eine Heizzone mit
Halbrohrschlange mit Sattdampf beheizt werden kann. Das Kondensat wird über
einen Kondensatableiter abgeführt. Durch einen Volumenstromzähler wird das
Volumen des zudosierten Frischwassers angezeigt. Mittels einem oben eingebautes
Mannloch können das Reinigungsmittel, sowie die Lauge von Hand zugegeben
werden. Ein stufenlos regelbarer Magnetrührer ermöglicht eine Durchmischung
der Flüssigkeiten im Heiztank und ermöglicht durch die induzierte Konvektion
einen verbesserten Wärmeübergang von der Behälterwand auf den Tankinhalt.
Die Beheizung des Behälters mit Dampf wird durch eine Steuerungsautomatik
und einem Temperatursensor im Tankboden auf die gewünschte Temperatur

4 Material und Methoden 41
geregelt und gehalten. Durch Öffnen eines pneumatischen Absperrventils der Fir-
ma APV Deutschland GmbH in Unna kann die Reinigungsflüssigkeit durch den
hydrostatischen Druck in die Rohrleitung fließen, um von einer Kreiselpumpe in
Richtung Testobjekt gefördert zu werden. Ein Temperatur-, sowie ein Durchflussund
Druckmessgerät erfassen die jeweiligen Reinigungsparameter. Um die Rohrleitung
entlüften zu können ist ein 3-Wegeventil mit Handbedienung eingebaut.
Das zu untersuchende Testobjekt wird zwischen zwei Handventilen eingebaut, um
ein schnelles Wechseln des Bauteils ohne Verlust der Reinigungsflüssigkeit im
restlichen Rohrleitungssystem zu ermöglichen. Im Anschluss befindet sich eine ca.
12 m lange Rohrleitung, die benötigt wird, um eine ausreichende Reaktionszeit
des Reinigungsmittels mit dem abgelösten Schmutz zu gewährleisten. Durch die
Oxidation des eingesetzten Reinigungsmittels „Smart Add 12“ mit organischen
Verunreinigungen entsteht während dieser Verweilzeit eine Änderung der Farbe,
welche am Ende der Reaktionsstrecke mit einem optischen Messgerät („Photo
Eye“) der Firma Thonhauser erfasst wird. Die Messdaten werden an einem angeschlossenen
Messrechner weitergeleitet, verarbeitet und gespeichert. Am Ende
des Versuchsaufbaus ist eine Drossel angebracht, um einen Gegendruck im Leitungssystem
aufzubauen und mit Hilfe des hydrostatischen Drucks der Flüssigkeit
im Heiztank und der regelbaren Pumpenleistung die gewünschte Strömungsgeschwindigkeit
einzustellen. Diese wird am oben genannten Durchflußmessers des
Typs Discomag DMI 6531 der Firma Endres+Hauser Messtechnik GmbH+Co KG
in Weil am Rhein angezeigt. Die Reinigungsflüssigkeit wird am Ende des Reinigungsstandes
über ein Neutralisationsbecken in das kommunale Abwassersystem
geleitet. Dies erfolgt ohne einen Aufbereitungsschritt, da das fertig angemischte
Reinigungsfluid laut Produktspezifikation [39] gefahrlos ins Abwassersystem geleitet
werden kann. Eine Rückführung oder Wiederaufbereitung ist für diese Art der
Versuche nicht möglich.
4.6 Versuchsdurchführung
Zu Beginn eines Reinigungsversuches
wird der Reinigungsstand, wie er in Abb.
25 dargestellt ist, aufgestellt und montiert. Um den Reinigungsstand auf Undichtigkeiten
zu prüfen und eventuelle Rückstände auszuspülen, wird mit Frischwasser
vor jedem Versuchsbeginn gespült.

4 Material und Methoden 42
Je nach Anzahl der zu testenden Bauteile, deren Reinigungsdauer und der Strö-
mungsgeschwindigkeit wird eine gewisse Menge an Reinigungsflüssigkeit benötigt
und angesetzt.
Die Reinigungsgeschwindigkeit wird auf 0,5 m/s festgelegt, um zum einen turbu-
lente Strömungsverhältnisse
(Re > 2300 vgl. Formel (4.25)) in der Rohrleitung zu
schaffen und zum anderen bei gegebener Reaktionsstrecke die Verweilzeit des
Reinigungsmittels mit der aufgenommenen Verschmutzung so groß zu halten,
damit die Farbreaktion ablaufen kann.
ρ 60°
η60°
C
u⋅d⋅ρ m
kg
0,5 ⋅0,025m⋅983,19
s m
0,00466
m
3
60°C
Re = = = 26373 > 2300
η
Ns ⋅
60°C
2
(4.25)
ist die Dichte von 0,1% NaOH-Lösung bei einer Temperatur von 60 °C und
die dynamische Viskosität bei dieser Temperatur.
Der V olumenstrom in [l/min] errechnet sich nach Formel (4.26) somit zu:
3
d 2 0,025m 2 m -4 m l
V�= A⋅ v= ( ) ⋅π ⋅ v=
( ) ⋅π ⋅ 0,5 = 2,45⋅ 10 = 14,73
2 2 s s min (4.26)
M it bekannten Volumenstrom in einem Rohrleitungssystem mit Nennweite 25 mm
und
einer Strömungsgeschwindigkeit des Fluids von 0,5 m/s lässt sich mit abge-
schätzter Reinigungsdauer für die zu testenden Bauteile das benötigte Volumen
der Reinigungslösung für eine Versuchsreihe ermitteln. Anhand des Durchflussmessers
vor dem Heiztank kann das Volumen an eingelassenem Frischwasser
abgelesen werden.
Nach dem Einlassen des benötigten Frischwassers wird das Wasser im Behälter
mit Hilfe des Heizmantels
auf 60 °C aufgeheizt und die Reinigungslösung nach
Vorschrift mit 1% vol. Thonhauser Smart Add 12 sowie 0,5% mass. 50%iger NOH
angemischt. Bei der Handhabung dieser Chemikalien ist auf die nötige Schutzkleidung
(Handschuhe, Brille und Kittel) zu achten.
Nach dem die Reinigungslösung korrekt angemischt und die Soll-Temperatur erreicht
ist, wird das Ventil unter dem Heiztank geöffnet
und das Fluid in die Rohrlei-

4 Material und Methoden 43
tung und in die Kreiselpumpe gelassen. Bei konstanter Pumpenleistung wird mit
Hilfe der Drossel eine Strömungsgeschwindigkeit von 0,5 m/s eingestellt. Zur Kon-
trolle dient der Durchflussmesser im Rohrleitungssystem. Sobald die Strömungs-
geschwindigkeit korrekt eingestellt ist, wird das Rohrleitungssystem ca. 10 min mit
Reinigungsflüssigkeit gespült, um zum einem die Rohrleitung absolut sauber zu
reinigen und zum anderen die komplette Rohrleitungsstrecke auf die Versuchstemperatur
von 60 °C aufzuheizen. Danach werden die beiden Handventile vor
und nach dem zu installierenden, verschmutzten Testobjekt geschlossen und die
Pumpe abgestellt.
Das erste zu untersuchende Bauteil wird in den Reinigungsstand eingebaut. Dabei
werden zum Teil Adapter nötig, um unterschiedliche Verschraubungssysteme zu
kombinieren. Nach der Montage befindet sich im zu testenden Bauteil zwischen
den beiden Handventilen Luft. Diese wird nach dem Starten der Pumpe und Öffnen
der beiden Ventile durch das Fluid in Richtung Auslauf verdrängt. Durch die
vertikale Installation des Photo-Eyes können die Luftbläschen ungehindert durch
das Kugelgehäuse mit den Schaugläsern strömen und verursachen so keine größere
Luftblase, welche sich bei horizontaler Montage ausbildet und zur Beeinträchtigung
der Farbmessung führen würde. Die vom Photo-Eye aufgenommenen
Messwerte werden im angeschlossenen Messrechner gesammelt, verarbeitet und
gespeichert. In der Auswertesoftware werden die Farbverläufe der Mangan-7
Spezies betrachtet. Diese Mn7-Spezies bildet vom Ausgangsniveau (violette Farbe)
ausgehend einen abnehmenden Peak aus und erreicht nach einiger Zeit erneut
ihr vorheriges Niveau (vgl. Abb. 26). Nachdem sich der Wert konstant auf
dieser Höhe befindet, kann das Bauteil als sauber angesehen werden und der
Reinigungsversuch beendet werden. Nach einer Zwischenspülung ohne eingebautes
Testobjekt wird der Reinigungsstand mit der Reinigungslösung gespült um sicher
jegliche verbliebene organische Substanz aus der Rohrleitung zu spülen.
Danach kann ein weiterer Reinigungsversuch mit einem anderen Bauteil fortgeführt
werden.
Nach Beendigung aller Reinigungsversuche mit der vorbereiteten Reinigungslösung
wird die Anlage durch das Öffnen der Ventile komplett entleert und mit kla-
rem Wasser nachgespült. Die verwendeten Bauteile werden zerlegt, mit Reinigungslösung
gereinigt, mit klarem Wasser gespült und anschließend mit Druckluft
getrocknet.

4.7 Auswertungsmethodik und Statistik 44
4.7 AUSWERTUNGSMETHODIK UND STATISTIK
Die Messewerte werden laufend vom optischen Messsystem, dem Photo-Eye,
zum Messrechner übertragen. Dies sind unter anderem die
Zeit, die drei Farbwer-
te im RGB-Format, die Trübung der Reinigungslösung, sowie der benötigte Lam-
penstrom. Mit Hilfe einer Auswertesoftware werden diese Daten aufgezeichnet,
ausgewertet und in Echtzeit visualisiert. Die graphische Auftragung des errechne-
ten Mn7-Wertes aus der RGB-Information ermöglicht eine zeitnahe Betrachtung
der Reinigung bereits während der Durchführung des Versuchs. Nach Erreichen
des ursprünglichen Mn7-Ausgangsniveaus kann die Reinigung als abgeschlossen
betrachtet werden. Nach Beendigung einer Reinigung eines Bauteils werden
sämtliche Messdaten in eine Microsoft Excel-Tabelle gespeichert und zur Auswertung
an einem Arbeitsplatzrechner übertragen. Anhand dieser Daten werden die
Mn7-Werte gegen die Zeit aufgetragen und es zeigt sich ein typischer, nach unten
zeigender Peak aus, wie beispielhaft in Abb. 26 zu sehen ist.
Value [-]
16.0
14.0
12.0
10.0
8.0
6.0
4.0
2.0
0.0
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
Zeit [s]
Reihe1
Abb. 26: graphische Auftragung des Mn7-Werts gegen die Zeit
Werden Bauteile mit einer konstruktionsbedingten Schwachstelle betrachtet, wie
beispielsweise ein T-Stück mit Totraum, so reichert sich dort die fast
stehende
Reinigungsflüssigkeit
[20] (vgl. Tabelle 6 auf S. 23) aufgrund der niedrigeren
Strömungsgeschwindigkeiten mit der Verschmutzungsmatrix (in dieser Arbeit:
Saccharose) an. Damit nimmt die Konzentrationsdifferenz zwischen verschmutzter

4.7 Auswertungsmethodik und Statistik 45
Wand und Flüssigkeit ab und bewirkt so einen geringeren Stofftransport. Durch die
verminderte Strömungsgeschwindigkeit kann diese angereicherte Reinigungsflüs-
sigkeit nur sehr langsam in den Hauptstrom bewegt werden. Folglich ist der ge-
messene Schmutzabtrag in dieser Phase sehr gering und bewirkt die asymptotische
Annäherung der Reinigungskurve am Ende der Reinigung an den Wert 1. Mit
der zunehmend flacher verlaufenden Kurve wird dementsprechend weniger
Schmutz pro Zeit abgelöst und es wird die Auflösungsgrenze des Messsystems
erreicht, bei der die unterschiedlichen Farbtöne des Reinigungsfluids nicht mehr
unterschieden werden können und im Rauschen der Messungenauigkeit verschwinden.
Deswegen wurden zur besseren Auswertung die letzten zwei Prozentpunkte
bis zum Wiedererreichen des Ausgangswertes vom Mn 6 -Wert verworfen,
da hier der Kurvenverlauf zu flach ist und in den Bereich der Messungenauigkeit
des Messsystems fällt.
Diese einzelnen Messkurven werden von dem Zeitpunkt des Verlassens (entspricht
0) des Ausgangsniveaus bis zum Erreichen des Endwerts (98% des Aus-
gangswerts, entspricht 1) normiert und aufgetragen (vgl. Abb. 27).
Q3
1.0
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0.0
gerades Rohr
0 5 10 15 20 25 30 35 40
Zeit [s]
Abb. 27: normierte Auftragung des Mn7-Werts gegen die Zeit von verschiedenen Messun-
gen

4.7 Auswertungsmethodik und Statistik 46
Um diese Summenverteilungen statistisch auswerten zu können, genügt es nicht,
zu jeder gemessenen Zeit eine Standardabweichung des Mn7-Wertes aufzutragen,
denn die Messwerte weichen sowohl in der Richtung der Ordinate, als auch in der
Richtung der Abszisse ab und ein resultierendes Konfidenzintervall wäre statistisch
nicht aussagekräftig. Da bei diesen Summenverteilungen jeder vorangehende
Punkt den nachfolgenden Punkt unterstützen muss, d.h. nicht größer sein darf,
wurde in der vorliegenden Arbeit eine Regressionsanalyse mit dem EDV-
Programm MathCAD der Firma PTC, Needham / USA durchgeführt. Dazu wurde
an die Wertepaare der normierten Summenverteilungen jeweils eine Polynomfunktion
angepasst, die diese am besten beschreibt. Polynomfunktionen eignen sich
für die vorliegenden Reinigungsversuche und genügen um diese Wertepaare
durch eine stetige Funktion beschreiben zu können. In Formel (4.27) ist beispielsweise
eine Polynomfunktion 6. Grades zu sehen.
( ) = ⋅ + ⋅ + ⋅ + ⋅ + ⋅ + ⋅x
(4.27)
6 5 4 3 2
f x a x b x c x d x e x f
Bei
manchen aufgezeichneten Wertepaaren passen Polynomfunktionen höherer
Ordnung besser und finden dementsprechend in der Auswertung Anwendung. In
einem eigens dazu entwickelten MathCAD-Arbeitsblatt werden je für ein Bauteil
aus allen einzelnen Reinigungsversuchen die Wertepaare der normierten Summenverteilungen
eingelesen und verarbeitet. Ziel dieser Auswertung ist es, durch
eine Regressionsanalyse einen 95%-Vertrauensbereich angeben zu können. Damit
lassen sich schließlich Aussagen treffen, ob sich ein Bauteil signifikant von
einem anderen Bauteil hinsichtlich seiner Reinigbarkeit unterscheidet, falls sich
ihre 95%-Vertrauensbänder nicht überschneiden. In Abb. 28 sind beispielhaft die
Konfidenzintervallbereiche des Reinigungsverlaufes über die Zeit von drei verschiedenen
Bauteilen aufgetragen.

4.7 Auswertungsmethodik und Statistik 47
Reinigungserfolg [-]
o_2d
u_2d
o_4d
u_4d
0.8
0.6
o_Varivent0.4
u_Varivent
0.2
zeitliches Reinigungsverhalten
0
0 10 20 30 40
Zeit
Zeit [s]
Abb. 28: Darstellung der Versuchsergebnisse mittels 95% Konfidenzintervallbereiche
Überschneiden sich der rote (4d T-Stück) und z.B. der grüne Bereich (2d T-Stück)
nicht, so sind diese signifikant unterschiedlich bezüglich ihres Reinigungsverhaltens.
4.8 Zugrundegelegte Kosten der Reinigung
Ziel dieser Arbeit ist es herauszustellen, inwiefern ein Lebensmittelproduzent
durch Einsatz von hygienegerechten Bauteilen in seinen Produktionsanlagen die
laufenden Kosten für eine CIP-Reinigung senken kann.
In dem Weihenstephaner Unternehmensvergleich 2003 vom Lehrstuhl für Betriebswirtschaftslehre
– Brau- und Lebensmittelindustrie der TU München wurden
sechs Molkereien mittlerer Größe mit einem Jahresumsatz von 140 Mio. bis 270
Mio. Euro analysiert. Dies ist die aktuellste Version, da im Jahre 2003 diese Vergleiche
eingestellt wurden. Im auszugsweise vorliegenden, streng vertraulichen
Dokument wurden sämtliche Kostenstellen dieser Milch verarbeitenden Betriebe
erfasst und aufgezeichnet. Die für die vorliegende Arbeit wichtige Kostenstelle für
die CIP-Reinigung beinhaltet die sogenannten Primärkosten wie z.B. Betriebsstoffe
(Reinigungsmittel, Chemikalien), sowie die Sekundärkosten wie z.B. Strom,
Wasser, Abwasser und Dampf. In Abb. 29 sind all diese Kosten gezeigt, die durch
Anwendung von Hygienic Design gesenkt werden können. Die Unternehmen ge-

4.7 Auswertungsmethodik und Statistik 48
ben eine Summe in der Spannweite von 350.000 bis 1.5 Mio. Euro für diese Posten
aus.
Kosten [mio. €]
1.8
1.6
1.4
1.2
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0
Zusammensetzung der CIP-Reinigungskosten
1 2 3 4 5 6
Unternehmen [-]
Abb. 29: Zusammensetzung der CIP-Reinigungskosten
Dampf
Abwasser
Wasser
Strom
Betriebs s toffe
Des Weiteren fallen aber z.B. auch Instandhaltung, kalkulatorische Abschreibun-
gen und Zinsen, Grundstücke und Gebäude sowie Werkstätten unter die Kosten-
stelle CIP-Reinigung. Diese Positionen können nicht vom Hygienic Design der An-
lagenbauteile profitieren und werden in Abb. 30 mit den weiter oben genannten
Posten anteilsmäßig verglichen.
Anteil an den CIP-Gesamtkosten [%]
100%
90%
80%
70%
60%
50%
40%
30%
20%
10%
0%
Verhältnis der HD-relevanten und nicht HD-relevanten CIP-
Gesamtkosten
1 2 3 4 5 6
Unternehmen [-]
HD-unabhängig
HD-relevant
Abb. 30: CIP-Gesamtkosten mit Verhältnis der von Hygienic Design
abhängigen und unabhängigen Kosten

4.7 Auswertungsmethodik und Statistik 49
Die Verhältnisse der in Abb. 30 gezeigten HD-relevanten zu HD-unabhängigen
Kosten liegen zwischen 57% zu 43% (Unternehmen 6) und 87% zu 13% (Unter-
nehmen 3). Folglich könnte Unternehmen 3 seine Gesamtkosten für die CIP-
Reinigung anteilsmäßig am stärksten senken, wenn an Stelle von Bauteilen mit
Toträumen und anderen Schwachstellen hygienegerechte Teile verwendet werden,
und dadurch eine kürzere Reinigungszeit realisieren werden kann.
Preis [€ ct.]
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
Gesamtkosten der CIP-Reinigung je kg eingesetzten
Rohstoff [ct/kg]
1 2 3 4 5 6
Unternehm en [-]
Abb. 31: CIP-Gesamtkosten je eingesetzten Rohstoff
Wird der Anteil der CIP-Gesamtkosten je eingesetzten kg Rohstoff [ct/kg] der ein-
zelnen Unternehmen betrachtet, so ergibt sich die Abb. 31. Dieser reicht von ca.
0,1 bis 0,7 ct/kg eingesetzten Rohstoffs und hängt von sehr vielen Faktoren ab,
z.B. welche Lebensmittel produziert werden, wie oft und gründlich gereinigt wird
und wie hoch das Produktionsvolumen ist.
Des Weiteren lassen sich aus den Zahlen des Weihenstephaner Unternehmensvergleich
2003 die Preise der Unternehmen für Strom, Wasser und Dampf berechnen
(vgl. Abb. 32).

4.7 Auswertungsmethodik und Statistik 50
Preis [€ ct.]
700
600
500
400
300
200
100
0
Preise für Strom, Wasser und Dampf
1 2 3 4 5 6
Unternehmen [-]
Abb. 32: Preise für Strom, Wasser und Dampf
Preis [ct] je kWh Strom
Preis [ct] je cbm Wasser
Preis [ct] je kg Dampf
Die Preise für Strom liegen zwischen 6 und 15 ct/kWh Strom und hängen maß-
geblich vom Tarif des jeweiligen Stromversorgers ab, bzw. wie hoch die Spitzenlast
des Unternehmens während des Tages ist. Des Weiteren können manche
Betriebe z.B. durch Blockheizkraftwerke Generatoren antreiben, die eigenen
Strom und gleichzeitig Dampf erzeugen können.
Für Wasser variiert der Preis zwischen ca. 90 und 200 ct/m³ Wasser. Dies dürfte
an den unterschiedlichen Konditionen der Unternehmen bei den jeweiligen Wasserversorgern
liegen, bzw. an einer zusätzlichen Wassergewinnung mit eigenen
Brunnen. Gravierend sind hingegen die unterschiedlichen Kosten für die Dampferzeugung,
welche aufgrund der eingesetzten Dampferzeugungstechnik und
Dampfverbrauch stark unterschiedlich ist. Bei Unternehmen 3 dürfte der hohe
Preis je kg Dampf durch den geringen Bedarf an Dampf, bzw. durch kostspieligere
Herstellungstechnik zu begründen sein. Genauere Fakten liegen nicht vor.
Diese Zahlen verdeutlichen die einzigartigen Anforderungen jedes Betriebes an
die Reinigung seiner Produktionsanlagen. Sie hängen maßgeblich von dem hergestellten
Produkt, dem Reinigungsmittel, dem Reinigungsverfahren und davon ab,
wie gründlich und oft eine Reinigung durchgeführt wird. Deshalb sind pauschale
Aussagen und Verallgemeinerungen hinsichtlich der Reinigungskosten nicht auszusprechen,
sondern gezielt für jede Situation einzeln zu eruieren.

5 Versuchsergebnisse und Diskussion 51
5 VERSUCHSERGEBNISSE UND DISKUSSION
5.1 Vergleich der Sensoreinbauten
Im Rahmen dieser Arbeit wurden zwei unterschiedliche Einbauvarianten von Sen-
soren in Rohrleitungssysteme untersucht. Zum einen die Montage des Sensors in
einem T-Stück mit Totraum (vgl. Abb. 33 links), sowie die nach Hygienic Design
Kriterien gestaltete Sensoranbindung durch ein Kugelgehäuse ohne Totraum (sie-
he Abb. 33 rechts).
Abb. 33: links: Totraum durch herkömmliche Anbindung,
rechts: produktbündige Anbindung mit VARINLINE-Gehäuse [40]
Ist ein T-Stück mit dem Totende nach unten montiert, verhindert dies die
Selbstentleerbarkeit der Anlage. Wird der Totraum nach oben zeigend installiert,
kann sich ein Gassack ausbilden, der den Kontakt von Reinigungs- oder Desinfek-
tionsflüssigkeiten mit den Produktresten oder Schmutz verhindert. Diese beiden
Nachteile entfallen bei der horizontalen Montage des T-Stücks, allerdings bleibt
der Totraum weiterhin die hygienische Problemstelle. Im Versuchsaufbau wurden
alle T-Stücke horizontal liegend montiert.

5 Versuchsergebnisse und Diskussion 52
Die verwendeten T-Stücke besitzen Totenden der Länge eines Rohrdurchmessers
(1d) bis hin zum vierfachen Rohrdurchmesser (4d). Abb. 34 zeigt die ermittelten,
mittleren Reinigungszeiten, sowie das 95%-Konfidenzintervall der Messwerte.
Zeit [s]
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
Rohr
Reinigungszeiten von T-Stücken
1d
2d
Länge des Totraumes
Abb. 34: Reinigungszeiten von T-Stücken mit verschieden langen Totenden
In Abb. 34 ist deutlich zu erkennen, dass sich die T-förmigen Rohrstücke aufgrund
ihrer unterschiedlich langen Totenden auf einem Vertrauensniveau von 95% signi-
fikant voneinander in ihrer Reinigungszeit unterscheiden, da sich die Konfidenzintervalle
nicht überschneiden. Dabei nimmt die benötigte Reinigungszeit mit zunehmender
Totraumlänge zu. Die Reinigungsdauer eines doppelt so tiefen
Totraumes dauert tendenziell mehr als doppelt so lange. Die mittleren Reinigungszeiten
betragen bei 1d-T-Stücken ca. 18 s, bei 2d etwa 43 s und bei 4d ca.
73 s. Dies zeigt, dass durch Verwendung möglichst kurzer T-Stücke (1d) die Reinigungsdauer
kurz gehalten werden kann, wohingegen beim Einsatz eines 4d-
Stückes mit einer bis zu 4,5-fachen Dauer gerechnet werden muss. Der Einsatz
eines solchen Bauteils würde auch die Kosten der CIP-Reinigung erhöhen, da ein
Vielfaches an Wasser, Reinigungsmittel, Zeit und Energie aufgewendet werden
muss, um ein Bauteil mit dieser hygienischen Schwachstelle zu reinigen. Die Konfidenzintervalle
sind tendenziell bei einfacher (1d) und zweifacher (2d) Totraumlänge,
sowie bei dem Referenzrohr ähnlich groß. Nur bei dem 4d T-Stück ist das
Konfidenzintervall deutlich größer. Dies liegt wahrscheinlich daran, dass mit zunehmender
Komplexität des Bauteils eine Reinigung nicht mehr exakt reproduzierbar
abläuft.
4d

5 Versuchsergebnisse und Diskussion 53
Die Reinigungsdauer für ein T-Formstück mit einem Totraum des einfachen Rohr-
durchmessers (ca. 18 s) ist allerdings etwas geringer als die des Referenzrohres
mit 28 s. Aufgrund der scharfen Kante zwischen Rohrwand und dem ange-
schweißten Totraum entsteht bei der Durchströmung mit Reinigungsfluid eine
starke Umlenkung der Strömung, wodurch lokal größere Verwirbelungen resultie-
ren, die eine verbesserte Abreinigung in diesem Bereich bewirken. Untersuchun-
gen von Kessler [26] zeigen, dass die 90°-Kante sehr gut angeströmt wird und
einen annähernd gleichen Temperaturverlauf zeigt wie die Hauptströmung im ge-
raden Rohrteil, wenn die Temperatur des Fluids schlagartig geändert wird. Auf-
grund der Analogie des Wärmetransports zum Stofftransport herrschen lokal im
kurzen Totraum ähnliche Stoffübergangsraten wie in der Hauptströmung. Die zu-
sätzliche, starke Wirbelbildung und daher verstärkter Transport des Schmutzes in
die Hauptströmung könnte dafür verantwortlich sein, dass die Reinigungszeiten
der T-Stücke mit einem 1d-Totende kürzer sind als die der Referenzrohre (vgl.
Abb. 34).
In dieser Arbeit wurden nicht nur die Reinigungszeiten bestimmt, die ein Bauteil
benötigt, um komplett gereinigt zu werden, sondern auch der zeitliche Verlauf des
Abreinigungsverhaltens aufgezeichnet. Abb. 35 zeigt eine Summenverteilung, die
gegen die Zeit aufgetragen ist. Darin steht der Ordinatenwert 0 für den Anfang der
Reinigung und der Wert 1 für das Ende der Reinigung. Die Konfidenzintervalle
sind als Band mit einem 95%-Niveau aufgetragen.

5 Versuchsergebnisse und Diskussion 54
Abreinigungsgrad [-]
1
0
0.8
o_rohre
u_rohre
o_1d
0.6
u_1d
o_2d
u_2d
o_4d 0.4
u_4d
0.2
zeitliches Reinigungsverhalten
0
0 10 20 30 40
0 x_0_1
Zeit [s]
Abb. 35: Zeitlicher Reinigungsverlauf der T-Stücke mit 95%-Konfidenzintervall
max( x_0_1)
Deutlich sind die Unterschiede in der Gesamtdauer der Reinigung, sowie in der
Steigung der Kurvenverläufe zu erkennen. Das Referenzrohr (grüner Bereich) und
das 1d-T-Stück (rot) weisen eine ähnliche Steigung bis ca. 80% Abreinigung auf,
ehe sie abflachen und sich der Reinigungsrate von 100% annähern. Da sich ihre
Konfidenzintervalle überschneiden, kann kein signifikanter Reinigungsunterschied
im zeitlichen Verlauf festgestellt werden. Anders hingegen verhalten sich 2d (blau)
und 4d (rosa) T-Stücke. Ihre Kurven weisen einen deutlich flacheren Verlauf auf,
knicken bereits bei 60% der Reinigung ab und nähern sich sichtbar langsamer
dem Reinigungsende. Das ist begründet durch das längere Totende und der dort
wesentlich reduzierten Strömungsgeschwindigkeit. Diese betragen im vorliegenden
Strömungsfall I nach Graßhoff [20] nur noch 13% (1d), 8% (2d) und 2% (4d)
der Hauptströmungsgeschwindigkeit. Dadurch wird die mechanische Wirkkomponente
der Reinigung deutlich reduziert und die Diffusion übernimmt die Hauptaufgabe
des Transports des Reinigungsmittels zum Schmutz und vom abgelösten
Schmutz in den Hauptstrom. Da die Diffusion deutlich langsamer abläuft als der
Stoffaustausch bei turbulenten Strömungsverhältnissen im Hauptrohr, knickt der
zeitliche Reinigungsverlauf mit zunehmender Totraumtiefe eher ab und verläuft
danach deutlich langsamer als die anfängliche Abreinigung des Schmutzes in der
Hauptströmung.

5 Versuchsergebnisse und Diskussion 55
Kessler [26] zeigte mit seiner Untersuchung des Temperaturverlaufs im Totende
eines T-Stücks mit einer Tiefe des 2,6-fachem Durchmessers bei Beaufschlagung
mit einem heißeren Fluid einen deutlich langsameren Temperaturausgleich am
Ende des Totraums. Selbst nach 16 Minuten betrug die Temperaturdifferenz zwischen
der Hauptströmung und dem am weitesten entfernten Punkt im Totraum
noch ca. 20 °C (vgl. Abb. 6 auf Seite 16). Dies zeigt, wie gering die Konvektion in
dieser Tiefe ist und lässt erahnen, wie lange es dauert, bis dort die gleichen Temperaturen
erreicht werden, wie sie in der Hauptströmung herrschen. Diese Ergebnisse
stimmen mit den in dieser Arbeit ermittelten Tendenzen der Reinigungszeit,
sowie den Ergebnissen von Graßhoff [20] überein.
Eine wichtige Erkenntnis lässt sich aus Abb. 36 gewinnen, welche die durchschnittliche
Reinigungszeit von T-Stück-Kombinationen miteinander vergleicht.
Zeit [s]
140
120
100
80
60
40
20
0
4d
Reinigungszeiten
4d2d
Bauteile
4d2d1d
Abb. 36: Reinigungszeiten der T-Stück-Kombinationen
4d2d 2xNA
Gezeigt sind Kombinationen aus T-Stücken mit einer Totraumlänge des vier- und
zweifachen Rohrdurchmessers (4d2d) sowie einer Dreierkombination (4d2d1d)
und einer Kombination mit zweifach nicht angeströmten Totenden der Länge 4d
und 2d (vgl. Strömungsfall III in Abb. 10 auf S. 21) mit der Bezeichnung 4d2d
2xNA. Alle 95%-Konfidenzintervalle dieser Bauteile überschneiden sich und zeigen
keine signifikant unterschiedliche Reinigbarkeit auf. Das stützt die allgemeine
Annahme in der Industrie, dass eine CIP-Reinigung auf das am schwersten zu

5 Versuchsergebnisse und Diskussion 56
reinigende Bauteil abzustimmen ist. Es macht keinen signifikanten Unterschied in
der Reinigungszeit, ob das 4d Bauteil alleine oder in Kombination mit anderen To-
tendenlängen verbaut wird. Lediglich der Strömungsfall III, bei dem die Haupt-
strömung um 90° abknickt und das Totende nicht angeströmt wird (vgl. Abb. 10
auf S. 21), weist einen größeren 95% Vertrauensbereich auf, der aber die anderen
Konfidenzintervalle mit einschließt, sodass sich kein signifikanter Unterschied er-
gibt. Dies deckt sich mit den Ergebnissen von Graßhoff [20], der herausfand, dass
die Strömungsgeschwindigkeiten in T-Stücken im Strömungsfall I und III (vgl. Abb.
10 auf S. 21) ähnlich sind. Diese Werte sind in Tabelle 6 (auf S. 23) zusammenge-
fasst. So betragen die Strömungsgeschwindigkeiten bei diesen Totraumtiefen ähn-
lich geringe relative Werte im Vergleich zur schnellen Hauptströmung im geraden
Rohrbereich.
Abb. 37: Totenden bei der Sensoranbindung [17]
a) Produktraum, b) Totraum, c) Sensor
Die Einbindung von Sensoren via T-Stück (siehe Abb. 37) verursacht einen
Totraum, der ein hygienisches Risiko darstellt und schwer zu reinigen ist. Dage-
gen stellt die Anbindung von Messsystemen z.B. durch ein VARINLINE-
Kugelgehäuse der Firma GEA Tuchenhagen keine Totbereiche auf (siehe Abb. 33
auf S. 51). In dieser Konstruktion ist das Rohrstück an einer Stelle kugelförmig
ausgeformt und an zwei gegenüberliegenden Seiten bündig zum Rohrdurchmesser
abgeflacht. So entstehen zwei kreisrunde Anbindungsmöglichkeiten, die sich
genau im Abstand des Rohrdurchmessers gegenüber liegen. Dies hat zudem den
Vorteil, dass durch ein einziges VARINLINE-Gehäuse zwei Sensoren ins Rohrlei-

5 Versuchsergebnisse und Diskussion 57
tungssystem integriert werden können. Diese werden mit einer Klemmverbindung
und einer produktbündig liegenden Dichtung in den Produktstrom eingebettet.
Durch diese hygienegerechte Einbindungsform von Sensoren ist z.B. auch das
optische Messsystem der Firma Thonhauser in den Reinigungsversuch eingebracht
(vgl. Abb. 24 auf S. 39).
Werden die mittleren Reinigungszeiten von T-Stücken und Kugel-Gehäuse (mit
montierten Deckelgläsern) gleicher nominaler Durchmesser verglichen, so ergibt
sich die Abb. 38.
Zeit [s]
100
80
60
40
20
0
VARINLINE
Reinigungszeiten mit 95%
Konfidenzintervall
2d
4d
Bauteile
Abb. 38: Reinigungszeiten der Sensoreinbauten
Die Konfidenzintervalle der Messergebnisse des VARINLINE-Gehäuses über-
schneiden sich mit denen der Referenzrohre und können deswegen nicht signifi-
kant voneinander unterscheiden werden. Dieses Gehäuse mit einem sogenannten
Varivent-Anschluss lässt sich ähnlich gut reinigen wie ein gerades Rohrstück.
Durch die Konstruktion des Kugelgehäuses entstehen keine scharfen Kanten, die
Strömungsschatten hervorrufen könnten und es birgt zudem keinen Strö-
mungstotraum wie z.B. ein T-Stück. Allerdings entsteht konstruktionsbedingt durch
die Erweiterung des Rohrdurchmessers eine Verringerung der Strömung und da-
durch ein etwas schlechter zu reinigender Bereich im Gegensatz zum geraden
Rohr

5 Versuchsergebnisse und Diskussion 58
Rohr. In Abb. 38 wird aber deutlich, dass sich die Reinigungszeiten des VARINLI-
NE-Gehäuses von denen der T-Stücke mit einer Länge des zwei- und vierfachen
Rohrdurchmessers signifikant voneinander unterscheiden. So betragen die Mittelwerte
der Reinigungszeiten für das VARINLINE-Gehäuse 32 s und für die 2d-,
bzw. 4d-T-Stücke ca. 43 s und 73 s. Das entspricht einer um 34% bzw. um 128%
längeren Reinigungszeit als beim Kugelgehäuse.
Der zeitliche Verlauf der Reinigung dieser Sensoreinbauten stellt sich in Abb. 39
dar. Darin sind die Kurvenverläufe des VARINLINE-Gehäuses (blau gestrichelt),
des 2d- (grün) und des 4d-T-Stück (rot) gezeigt.
Abreinigungsgrad [-]
o_2d
u_2d
o_4d
u_4d
1
0.8
0.6
o_Varivent
0.4
u_Varivent
0
0.2
zeitliches Reinigungsverhalten
0
0 10 20 30 40
0 Zeit
Zeit [s]
max( Zeit)
Abb. 39: Zeitlicher Reinigungsverlauf der Sensoreinbauten mit 95%-Konfidenzintervall
Aus Abb. 39 wird ersichtlich, dass der Einbau z.B. von Temperatursensoren in T-
Stücke mit einem Totende des vierfachen Rohrdurchmessers einen flacheren Verlauf
des Konfidenzintervallbandes verursacht, als eine Montage an einem Kugel-
Gehäuse. Dessen Kurvenverlauf ist deutlich steiler, d.h. mehr Schmutz wird in
kürzerer Zeit abgereinigt. Die Steigung des 95%-Vertrauensbereichs ist bis zu ca.
90% der Abreinigung konstant und flacht erst danach zum endgültigen Ende der
Reinigung ab. Diese letzten Schmutzreste sind in der kugelförmigen Ausweitung
des Gehäuses zu erwarten und auf Grund der sich ändernden Strömungsverhält-

5 Versuchsergebnisse und Diskussion 59
nisse nicht genauso schnell abreinigbar wie im geraden Rohr. Das Konfidenzband
des T-Stücks mit dem 2d-Totende verläuft nur bis etwa 60% der Reinigung mit
konstanter Steigung und einem konstanten Schmutzabtrag, knickt danach jedoch
deutlich ab. Dieses Abknicken des Kurvenverlaufs rührt von der Geometrie des
Bauteils her. Der erste Teil der Kurve mit konstanter Steigung beschreibt den kon-
stanten Stoffübergang der Verschmutzung in die Reinigungslösung im geraden
Rohrstück. Dieser Schmutzabtrag verläuft konstant mit abnehmender Filmdicke
der Verschmutzungsmatrix. Die Ergebnisse von Hofmann [24] zeigen bei einer
Strömungsgeschwindigkeit von 0,5 m/s, Rohrdurchmessern von 25 mm und einer
ähnlichen Viskosität des Fluids und daraus resultierenden gleichen Strömungsbedingungen
(Re = 10000), dass bei geraden Rohren nach kurzer Zeit ein Bereich
mit konstanter, maximaler Abreinigungsrate auftritt. Ist der Film vollständig von der
Innenoberfläche im Bereich der Hauptströmung abgelöst, so ändert sich die mit
Schmutz belegte Innenoberfläche in einem T-Stück (vgl. Abb. 40) und der Massenstrom
m� der Verschmutzungsmatrix in die Reinigungsflüssigkeit sinkt.
Abb. 40: Änderung des Stoffübergangs während der Reinigung eines Rohrs mit Totraum [24]
Der Stoffübergang ist somit bei kompliziert konstruierten Bauteilen geringer als z.B.
im geraden Rohr oder in strömungstechnisch günstig gestalteten Bauteilen (z.B.
ein Kugelgehäuse). Deswegen ist für die Anbindung von Sensoren in das Rohrleitungssystem
eine Variante vorzuziehen, die sich leicht reinigen lässt. T-Stücke mit
einer Totraumtiefe von bis zu maximal zweifachen Rohrdurchmesser lassen sich
noch akzeptabel reinigen, wohingegen T-Stücke mit noch längeren Toträumen (4d)
sehr viel schlechter zu reinigen sind. Die Reinigung dauert bei langen Toträumen
(4d) mehr als doppelt so lange als beim Kugel-Gehäuse (vgl. Abb. 38 auf S. 57),
welches deswegen als hygienische Variante der Anbindung von Sensoren vorzuziehen
ist.

5 Versuchsergebnisse und Diskussion 60
5.2 Vergleich der Ventilschaltungen
Ventile erfüllen in Produktionsstätten zahlreiche Funktionen. Sie sperren und öffnen
Wege, verhindern das Vermischen unterschiedlicher Produkte oder Flüssigkeiten
an Ventilknoten und steuern den Wechsel zwischen Produkten und z.B.
dem Reinigungsfluid. Um in der Lebensmittelproduktion Produktströme in geschlossenen
Rohrleitungssystemen zu lenken, werden Ventilschaltungen eingesetzt.
Diese können ein hygienisches Risiko für das Produkt und letztlich für den
Konsumenten darstellen, falls sie Toträume oder Spalte aufweisen.
Hygienic Design stellt hohe Anforderungen an Ventile. Damit ein Bauteil von der
EHEDG ein Zertifikat erhält, muss z.B. die Reinigbarkeit nach EHEDG-
Testmethoden überprüft und nachgewiesen, die Anforderungen an Material, Oberflächengüte
und Entleerbarkeit entsprochen werden und vor allem darf die Geometrie
des Ventils kein hygienisches Risiko darstellen [16].
Damit ein Produktstrom mit Klappenventilen in unterschiedliche Wege gelenkt
werden kann, sind an einer Rohrgabelung zwei Klappenventile nötig. Aufgrund der
Bedienung dieser Klappen (von Hand oder pneumatisch) muss über dem Ventil
Platz für diese Steuerung vorhanden sein. Dies verhindert die direkte Nähe der
beiden Klappenventile und verursacht einen Totraum beim geschlossenen Ventil
(vgl. Abb. 41 links). Diese Anordnungen sind in der Industrie oftmals bis zu einer
Länge des zwei- oder vierfachen Rohrdurchmessers anzutreffen.
Abb. 41: links: Klappenventilschaltung mit einer Totraumlänge des 2,5-fachen Durchmessers,
rechts: 3-Wege-Ventil [17]
a) Produktraum, b) Klappenventil, c) Totraum

5 Versuchsergebnisse und Diskussion 61
Zur Vermeidung der räumlichen Behinderung der beiden Ventilsteuerungen wur-
den 3-Wege-Ventile entwickelt, die durch eine einzige pneumatische Steuerung
angetrieben werden (siehe Abb. 41 rechts). Die räumlich sehr eng liegenden Ven-
tile werden durch ein Einsitz-Umschaltventil realisiert, welches zwei Ventilteller an
einer Ventilstange aufweist. Dadurch ist es möglich die Abzweigung im Rohrlei-
tungssystem ohne Toträume zu realisieren.
Folglich entspricht eine Klappenventilanordnung, wie sie in Abb. 41 gezeigt ist,
einem T-Stück mit einem rechtwinklig angeordneten Totraum (vgl. Abb. 10, Fall I)
des ca. 2,6-fachen Rohrdurchmessers. In dieser Arbeit wurden stellvertretend für
die Klappenventilkonstruktion T-Stücke mit einer Totraumlänge des zwei- und vier-
fachen Rohrdurchmessers untersucht.
Zeit [s]
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
3-Wege-Ventil
Reinigungszeiten mit 95% Konfidenzintervall
2d
Bauteile
Abb. 42: Reinigungszeiten der Ventilschaltungen
Abb. 42 zeigt, dass die hygienische Ventilschaltung mittels Einsitz-Umschaltventil
(ca. 37 s) tendenziell schneller zu reinigen ist als das 2d-T-Stück (ca. 43 s), obwohl
sich ihre Konfidenzintervalle knapp überschneiden. Deutliche Vorteile erweisen
sich allerdings im Vergleich zu einem 4d-Stück. In diesem Fall ist die durchschnittliche
Reinigungszeit von ca. 73 s doppelt so lang. Das Konfidenzintervall
des T-Stücks mit dem längsten Totende (4d) ist wesentlich größer als bei dem
kürzeren T-Stück und dem 3-Wege-Ventil. Das deutet auf eine nicht exakt reproduzierbar
durchführbare Reinigung von solch langen Totenden hin. Aufgrund der
4d

5 Versuchsergebnisse und Diskussion 62
Komplexität des Umschaltventil und der doppelten Umlenkung des Hauptstromes
um 90° fällt der Unterschied in der Reinigungszeit zu dem kurzen T-Stück nur rela-
tiv gering aus, obwohl diese Konstruktion kein Totende aufweist.
Abb. 43 zeigt den zeitlichen Reinigungsverlauf der verschiedenen Ventilschaltun-
gen.
Abreinigungsgrad [-]
1
o_3_Wege
0.8
u_3_Wege
0.6
o_2d
u_2d
o_4d
0.4
u_4d
0
0.2
zeitliches Reinigungsverhalten
0
0 10 20 30 40
0 Zeit
Zeit [s]
max( Zeit)
Abb. 43: Zeitlicher Reinigungsverlauf der Ventilschaltungen mit 95%-Konfidenzintervall
Wie bereits bei den Sensoreinbauten diskutiert, sind die beiden T-Stücke mit doppeltem
(rot), bzw. vierfachem Totende (blau gestrichelt) signifikant unterschiedlich
zu reinigen, da sich ihre 95%-Konfidenzintervalle sowohl bei Betrachtung der absoluten
Reinigungszeit, als auch im zeitlichen Reinigungsverlauf nicht überschneiden.
Die Reinigbarkeit einer mittels 2d-T-Stück realisierten Ventilschaltung (vgl.
Abb. 41 links) ist zeitlich betrachtet besser, da in kürzerer Zeit mehr Verschmutzung
abgereinigt werden kann als bei der Schaltung mit einem Totraum des 4fachen
Rohrdurchmessers. Die von der EHEDG empfohlene Variante mit einem
Einsitz-Umschaltventil (siehe Abb. 41 rechts) weist zwar tendenziell eine etwas
kürzere Reinigungszeit auf als die Ventilschaltung mittels T-Stücke, verläuft zeitlich
allerdings anders. Zu Beginn der Reinigung wird in etwa so viel Schmutz abgereinigt
wie bei den alternativen Ventilschaltungen, da sich die Konfidenzintervalle
bis ca. 15 s nach Reinigungsbeginn noch überschneiden. Im weiteren Verlauf

5 Versuchsergebnisse und Diskussion 63
wird jedoch mehr Schmutz pro Zeit abgelöst als beim T-Stück mit 4d-Totende.
Dies liegt daran, dass die gesamte, verschmutzte Innenoberfläche des 3-Wege-
Ventils direkt in der Hauptströmung liegt. In den ersten Sekunden der Reinigung
liegen sowohl bei den T-Stücken, als auch im 3-Wege-Ventil ein genügend dicker
Verschmutzungsfilm vor, der vom Reinigungsfluid im Hauptstrom leicht und
schnell abgetragen werden kann. Der konstante Massenabtrag ist jedoch beim 3-
Wege-Ventil ohne Toträume am längsten. Dieser dauert bis ca. 80% einer abgeschlossenen
Reinigung und schwächt sich danach gegen Ende der Reinigung nur
leicht ab. Bei den T-Stücken erfolgt dieses Abknicken des Massenstroms bereits
bei ca. 70% (2d) und bei ca. 60% (4d). Dies zeigt, dass im 3-Wege-Ventil aufgrund
der fehlenden hygienischen Problemzonen ein größerer Schmutzanteil während
des konstanten Massenabtrags abgereinigt werden kann als in Ventilschaltungen
mit 2d- und 4d-Totenden. In diesen Totenden ist nach Graßhoff die Konvektion
drastisch eingeschränkt [20] und somit auch die Reinigung in diesen Bereich. Dort
herrscht vor allem Diffusion des Reinigungsmittels zum Schmutz und der abgelösten
Verschmutzung zurück in den Hauptstrom des Reinigungsfluids vor. Diese ist
bekanntlich deutlich langsamer [24] und verursacht das Abknicken des Reinigungsverlaufs
bei T-Stücken.
5.3 Vergleich von funktionellen Bauteilkombinationen
Die in der Literatur [3] und bei Vorträgen gerne verwendete Gegenüberstellung
von schlechtem (vgl. Abb. 44) und gutem Hygienic Design in Rohrleitungssystemen
(vgl. Abb. 45) ist bisweilen ohne die Betrachtung der effektiven Einsparpotentiale
angestellt worden.
Abb. 44: Durch T-Stücke verursachte Toträume in Rohrleitungssystemen [3]

5 Versuchsergebnisse und Diskussion 64
Die beiden funktionell gleichartigen Konstruktionen in Abb. 44 und Abb. 45 erfüllen
die gleichen Aufgaben, unterscheiden sich aber hinsichtlich hygienischer Prob-
lemzonen in Abb. 44, in denen sich Produktreste ansammeln können und schwer
zu reinigen und zu desinfizieren sind. Sie stellen deshalb ein hohes Kontaminati-
onsrisikio für das Produkt und letztendlich für den Verbraucher dar.
Abb. 45: Rohrleitungssystem nach Hygienic Design Richtlinien [3]
Um den Vorteil einer nach Hygienic Design Richtlinien konstruierten Baugruppe
gegenüber einer Kombination aus hygienisch bedenklichen Bauteilen zu ermitteln,
wurden im Rahmen der vorliegenden Arbeit zwei entsprechende Varianten im Lebensmitteltechnikum
montiert und den Reinigungsversuchen unterworfen. Die beiden
Abbildungen dieser Gruppen (Abb. 20 und Abb. 21) befinden sich auf den Seiten
33.
Zeit [s]
300
250
200
150
100
50
0
Reinigungszeiten mit 95% Konfidenzintervall
Gruppe HD
Bauteile
Gruppe BD
Abb. 46: Reinigungszeiten zweier funktionell gleicher Baugruppen nach Hygienic Design
(links) und mit problematischen Hygienerisiken (rechts)

5 Versuchsergebnisse und Diskussion 65
In Abb. 46 wird eine durchschnittliche Reinigungszeit der Baugruppe nach Hygie-
nic Design Kriterien von ca. 56 s erreicht. Dem gegenüber steht die um mehr als
4-mal längere Reinigungszeit für die Baugruppe mit T-Stücken und den daraus
resultierenden Totenden (236 s). Dies entspricht einer 76% geringeren Reini-
gungsdauer des Hygienic Design-Bauteils.
Wird der zeitliche Reinigungsverlauf in Abb. 47 betrachtet, so wird ersichtlich, dass
aufgrund des wesentlich steileren Kurvenverlaufs der hygienischen Bauteilgruppe
(rot) ein höherer Stofftransport von der verschmutzten Innenoberfläche ins Reinigungsfluid
herrschen muss. Dieser konstante Massenstrom hält bis fast 90% des
Reinigungsverlaufs an und flacht nur sehr leicht zum Ende der Reinigung ab. Anders
dagegen der Verlauf der Reinigung der Bauteilgruppe mit Hygienerisiko
(grün). Hier ist die Phase des konstanten Masseabtrags der Verschmutzungsmatrix
in die Reinigungslösung nur bis zu einem Abreinigungsgrad von 50% zu erkennen.
Danach flacht der Verlauf deutlich ab und nur noch wenig Verschmutzung
wird im Laufe der Zeit abgereinigt. Dies ist durch die extrem langsame Strömungsgeschwindigkeit
[20] in den Totenden der T-Stutzen, sowie in dem direkt
angeströmten Totende vor dem geschlossenen Ventil begründet, da dort die
Stoffübertragung deutlich reduziert ist.
Q3
1
0.8
o_HD
0.6
u_HD
o_BD
u_BD
0.4
0
0.2
Funktioneller Bauteilvergleich
0
0 100 200
0 x_0_1
max( x_0_1)
Zeit [s]
Abb. 47: zeitlicher Verlauf der Reinigung der beiden funktionell gleichartigen Baugruppen

5 Versuchsergebnisse und Diskussion 66
Wird ein vier mal so langer Zeitbedarf für die Reinigung angenommen, so bedeu-
tet das für den Lebensmittel- oder Pharmaproduzenten, bei verloren gefahrener
CIP-Reinigung, einen vierfach höheren Aufwand für Wasser, Energie, Reinigungsmittel,
Abwasser und Produktionsausfall.
5.4 Vergleich von Pumpen
Verglichen werden zwei Kreiselpumpen der Firma Hilge aus Bodenheim. Eine einstufige
Pumpe des Typs Durietta 0/1 und eine dreistufige Ausführung des Typs
Contra-I/3. Beide Pumpen wurden in den Reinigungsstand integriert und ähnlich
wie die anderen Bauteile auf ihre Reinigbarkeit getestet. Der einzige Unterschied
besteht darin, dass zu Beginn des Versuchs die Reinigungsflüssigkeit allein durch
den hydrostatischen Druck vom Reinigungstank in das zu testende Bauteil gedrückt
wird und unmittelbar nach seiner Flutung die Pumpe in Betrieb genommen
wird. Dieses Vorgehen dient als Schutz vor dem Trockenlaufen der Gleitringdichtung,
was einem Defekt der Pumpe nach sich ziehen würde. Die Frequenz, und
damit die Drehzahl der Pumpe wurde im Vorfeld so eingestellt, dass sich eine
Strömungsgeschwindigkeit von 0,5 m/s in der DN 25 Rohrleitungssystem einstellt,
die ebenfalls für alle anderen Reinigungsversuche verwendet wird.
Wie in Abb. 48 zu erkennen ist, unterscheiden sich die mittleren Reinigungszeiten
der einstufigen Kreiselpumpe (31 s) und der dreistufigen Kreiselpumpe (56 s)
deutlich, allerdings sind die Konfidenzintervalle sehr groß und überschneiden sich.
Dies kann auf die komplexe Bauweise, der Strömungsschatten und der deswegen
kaum reproduzierbar ablaufenden Reinigung zurückzuführen sein. Beide Pumpen
unterscheiden sich in ihrer Reinigungsdauer nicht signifikant voneinander.

5 Versuchsergebnisse und Diskussion 67
Zeit [s]
80
60
40
20
0
Reinigungszeiten mit 95%
Konfidenzintervall
einstufig
Bauteile
dreistufig
Abb. 48: Reinigungszeiten zweier Kreiselpumpen (ein- und dreistufig)
Die beiden Pumpen decken unterschiedliche Einsatzgebiete ab und weisen unter-
schiedliche Geometrien auf. Die einstufige Kreiselpumpe besitzt nur ein Laufrad,
die dreistufige Pumpe hingegen hat drei hintereinander in Reihe geschaltete Lauf-
räder und kann dadurch einen höheren Förderdruck als eine ähnlich aufgebaute
Pumpe mit nur einem Laufrad erreichen. Da die Laufräder jeweils das zu pumpende
Fluid von innen nach außen fördern, besteht die Notwendigkeit der vielfachen
Strömungsumlenkung. Wie Abb. 49 zeigt, verläuft die Abreinigungskurve der einstufigen
Kreiselpumpe etwas steiler und die Verschmutzungsmatrix wird mit annähernd
konstantem Massenabtrag bis zum Ende der Reinigung entfernt. Dies liegt
zum einen im Vergleich zur größeren, dreistufigen Pumpe an der deutlich einfacheren
Konstruktion und der relativ einfachen Umlenkung der Hauptströmung. Bei
der dreistufigen Kreiselpumpe verläuft die zeitliche Abreinigung etwas flacher, d.h.
weniger Masse wird pro Zeiteinheit abgetragen. Dies erfolgt ähnlich wie bei der
kleineren Kreiselpumpe mit konstantem Massenabtrag bis ca. 80% der Reinigung.
Ab dann knickt der Kurvenverlauf ab und nähert sich dem Ende der Reinigung
asymptotisch an. Dies deutet darauf hin, dass die Pumpe in einem nicht optimalen
Teillastbetrieb arbeitet, deswegen die Wandschubspannungen geringer sind und
Rückströmungen im Inneren der Kreiselpumpe entstehen. Dadurch bewegt sich
ein gewisser Anteil des zu pumpenden Fluids im Kreis, es entstehen strömungsärmere
Bereiche in der Nähe der Gleitringdichtung und die Abreinigung ist dort
schlechter.

5 Versuchsergebnisse und Diskussion 68
Abreinigungsgrad [-]
1
0.8
o_Pumpe_1st
0.6
u_Pumpe_1st
o_Pumpe_3st
u_Pumpe_3st
0.4
0
0.2
zeitliches Reinigungsverhalten
0
0 10 20 30 40
0 Zeit
max( Zeit)
Zeit [s]
Abb. 49: Zeitlicher Reinigungsverlauf zweier Pumpensysteme
Im Lebensmitteltechnikum der TU München in Weihenstephan standen nur diese
beiden Pumpentypen zur Untersuchung ihrer Reinigbarkeit zur Verfügung. Aufgrund
der unterschiedlichen Konstruktion und ihrem unterschiedlichen Einsatzzweck
kann keine Aussage getroffen werden, welche der beiden Pumpen eine
bessere Reinigbarkeit aufweist. Sicherlich haben einfache Konstruktionen Vorteile
bei der Abreinigung, da hier weniger Kanten und Strömungswiderstände im Bauteil
existieren. Trotz ihrer Komplexität besitzen beide Kreiselpumpen im Vergleich
zu einfachen T-Stück Konstruktionen (vgl. Abb. 50) eine ähnlich lange Reinigungsdauer.
Allerdings herrschen durch die hohen Scherkräfte im Inneren der
Kreiselpumpen viel höhere Wandschubspannungen, die gewährleisten, dass eine
hohe mechanische Abreinigung erreicht wird. Deswegen stellen Kreiselpumpen,
wenn sie nach hygienischen Gesichtspunkten gefertigt wurden, im Allgemeinen
kein Hygienerisiko dar und sind tendenziell sogar schneller zu reinigen als weniger
komplexe T-Stücke mit langen Totenden.

5 Versuchsergebnisse und Diskussion 69
Zeit [s]
100
80
60
40
20
0
Reinigungszeiten mit 95% Konfidenzintervall
einstufig
2d
Bauteile
dreistufig
Abb. 50: Vergleich der Reinigungsdauer von Pumpen mit T-Stücken
Aufgrund der nicht gegebenen Voraussetzung zum direkten Vergleich der beiden
Pumpenkonstruktionen wird auf eine Berechnung des Einsparpotentials im Kapitel
6 verzichtet.
4d

6 Berechnung des Einsparpotentials 70
6 BERECHNUNG DES EINSPARPOTENTIALS
Aus den Reinigungsversuchen, die im Rahmen dieser Arbeit im Lebensmitteltechnikum
der TU München in Weihenstephan durchgeführt wurden, resultieren absolute
Reinigungszeiten, sowie zeitliche Verläufe der einzelnen Reinigungsversuche.
Zeit ist hinsichtlich der Reinigungskosten der entscheidende Faktor, durch den bei
verloren gefahrener CIP-Reinigung die anderen Kostenstellen berechnet werden
können.
Grundsätzlich werden in der CIP-Reinigung zwei verschiedene Arten der Durchführung
unterschieden: eine Stapelreinigung mit Wiederverwendung der Reinigungslösung
bzw. eine verlorene Reinigung mit Einleitung der Flüssigkeit ins Abwassersystem.
Bis Ende der 50er Jahre wurde eine verlorene Reinigung genutzt,
welche durch die hohen Preise für Chemikalien nach und nach zum Teil durch
eine gestapelte Reinigung ersetzt wurde. Trotzdem wird heute immer noch in bestimmten
Fällen eine verlorene Reinigung praktiziert. Bei der Wiederverwendung
der Reinigungslösung muss die mit Schmutz beladene Lösung mit frischem Reinigungsmittel
angeschärft werden, bis sie aufgrund zu hoher Schmutzfracht zu entsorgen
ist [21].
Die Kalkulation des Einsparpotentials ist bei verloren gefahrener CIP-Reinigung
deutlich einfacher. Eine doppelt so lange Reinigungszeit bedeuten doppelt so hohe
Betriebskosten für Wasser, Energie, Chemikalien und für die Abwasserentsorgung.
Ebenso ist die Ausfallzeit doppelt so hoch, in der sonst produziert werden
könnte. Andere Kostenarten (siehe Tabelle 7 auf S. 24), wie z.B. für die Sachbedarfskosten
für die Installation technischer Hilfsmittel bleiben davon unberührt.
Werden allerdings Stapelreinigungen betrachtet, hängt die Wiederverwendbarkeit
des Reinigungsfluids stark von der verbleibenden Masse an Produkt in der Produktionsanlage
ab. Die abgelöste Schmutzfracht pro Zirkulation ist abhängig von
der Art des Schmutzes und dem zeitlichen Abstand der Reinigung zum Produktionsende.
In die Kalkulation des Einsparpotentials müssen ebenso die Investitionskosten,
insbesondere für Hygienic Design Bauteile einfließen, da diese oftmals teuerer als
herkömmliche Armaturen und Bauteile sind (vgl. Tabelle 8). Die angegebenen Be-

6 Berechnung des Einsparpotentials 71
träge sind Orientierungshilfen und hängen sehr stark von den Abnahmezahlen,
Konditionen des Bestellers beim Hersteller und weiteren, vielfältigen Faktoren ab.
Tabelle 8: Marktpreise für die in den Reinigungsversuchen verwendeten Bauteile
Bauteil Kosten
T-Stück DN 25 mit 3 Clamp-Verbindungen aus Edelstahl 1.4404 ca. 90 €
Temperatursensor für Montage in einem T-Stück ca. 200 €
VARINLINE Gehäuse DN25, Material 1.4404 ca. 260 €
Temperatursensor für Montage in einem Kugelgehäuse ca. 230 €
Temperatursensor WIKA TR25 mit Triclamp Verbindungen nach DIN
11864, CIP-fähig, zylindrische Innenoberfläche mit DN 25
ca. 780 €
Einsitz-Umschaltventil mit DIN 11864 Verschraubung ca. 1000 €
2 Scheibenventile incl. T-Stück, Antrieb und Verschweißen ca. 1450 €
6.1 Einsparpotential durch hygienische Sensoreinbauten
In dieser Arbeit wurden hygienisch einwandfreie Sensoreinbauten mittels Kugelgehäuse
(z.B. VARINLINE von GEA Tuchenhagen) und herkömmliche T-Stücken
mit problematischen Toträumen untersucht. Die Ergebnisse der Reinigungsversuche
ergaben eine um 34% (bei 2d-Totraum) bzw. eine um 128% (bei 4d-Totraum)
längere durchschnittliche Reinigungszeit bis die Reinigung als abgeschlossen gelten
kann (vgl. Abb. 38 auf S. 57). In diesem Abschnitt wird die Reinigungszeit als
maßgebende Größe betrachtet und die CIP-Reinigung als verloren vorgegeben.
Integriert ein Produktionsbetrieb einen Sensor in einem CIP-Kreislauf mittels eines
T-Stücks mit 4d-Totende, könnte er durch Verwendung eines Varivent-
Kugelgehäuses rund 56% der Zeit, sowie der laufenden CIP-Reinigungskosten
einsparen, wenn das CIP-Programm angepasst und gekürzt wird. Wenn anstatt
Sensoreinbauten mit 2d-T-Stücken benutzt werden, lassen sich diese Kosten
durch das VARINLINE-Gehäuse um immerhin 26% reduzieren (vgl. Tabelle 9).
Vorausgesetzt es entstehen durch den montierten Sensor keine weiteren Toträume
oder Strömungsschatten als bei den produktbündig abgedichteten Schaugläsern,
die in den Reinigungsversuchen verwendet werden. Zusätzlich ermöglicht
diese hygienische Variante die Montage eines zweiten Sensors im selben Gehäu-

6 Berechnung des Einsparpotentials 72
se. Dies spart Platz im Rohrleitungssystem, reduziert die benötigten Rohrverbindungen
und eröffnet keine weiteren hygienischen Schwachstellen.
Tabelle 9: Reduzierung der Reinigungszeit bei der hygienischer Sensoreinbindung im Vergleich
zur Montage in T-Stücken
Ausgangssituation
Reduzierung der Zeit bei Verwendung
eines Kugelgehäuses
Reduzierung der Zeit bei Verwendung
eines WIKA TR25 Temperatursensors
(mit zylindrischer Innenoberfläche)
2d-T-Stück 26% 35%
4d-T-Stück 56% 62%
Wird dagegen ein Sensor verwendet, der eine zylindrische Innenoberfläche ohne
Spalten oder Kanten aufweist, ist die Reinigung vergleichbar mit einem normalen
Rohrstück gleichen Innendurchmessers. Dies ist z.B. beim Temperatursensor vom
Typ TR25 der Firma WIKA Alexander Wiegand GmbH & Co. KG der Fall. Dieser
lässt sich genau so gut und schnell reinigen wie ein gleich langes Rohrstück. Wird
ein Vergleich der laufenden Kosten zwischen dieser Sensorart und einem normalen
Temperatursensor, welcher mittels T-Stück eingebaut wird, angestellt, ergeben
sich Einsparungen der CIP-Betriebskosten laut Tabelle 9.
Die mittleren Marktpreise (Stand Januar 2009) eines Temperatursensors mit einer
zylindrischen Innenoberfläche (WIKA TR25) sind nach Tabelle 10 mit ca. 780 €
entsprechend hoch. Wird allerdings ein vergleichbarer Temperatursensor in einem
schwer zu reinigenden T-Stück verwendet, so summieren sich die Kosten für den
Messfühler und das T-Stück auf ca. 290 €. Wird ein VARINLINE-Gehäuse mit einem
passenden Sensor eingebaut, ergibt sich ein Kaufpreis von ca. 490 €.
Tabelle 10: Kosten für die Sensoranbindung
Anschlussvariante Kosten
relative CIP-
Gesamtkosten
Investitionsdifferenz
zum Sensor am 4d-
T-Stück
Sensor an 4d-T-Stück 290 € 100 %
VARINLINE-Gehäuse mit Sensor 490 € 44% 200 €
WIKA TR25 Temperatursensor 780 € 38% 490 €

6 Berechnung des Einsparpotentials 73
Um eine möglichst akkurate Einschätzung des Einsparpotentials vornehmen zu
können, werden die vorliegenden Daten aus dem Weihenstephaner Unterneh-
mensvergleich 2003 von sechs mittelständischen Milchverarbeitungsunternehmen
herangezogen. Angenommen wird hierbei, dass diese Unternehmen in ihren An-
lagen hygienisch einwandfreie Komponenten in ihren Anlagen verwenden und nur
problematische Sensoreinbauten in T-Stücken benutzen, damit ein mögliches
Sparpotential errechnet werden kann.
Zur Ermittlung, ab wann sich die höheren Investitionskosten eines Sensors z.B.
im VARINLINE-Gehäuse oder eines Messfühlers mit zylindrischer Oberfläche
amortisieren, wird die Differenz der Investitionskosten zu einem herkömmlichen T-
Stück durch die Gesamtkosten der CIP-Reinigung geteilt. Da durch Hygienic Design
nicht alle CIP-Gesamtkosten beeinflussbar sind, werden nur die Hygienic-
Design relevanten CIP-Kosten (vgl. Abb. 30 auf S. 48: Betriebsstoffe, Strom, Wasser,
Abwasser und Dampf) aus dem Weihenstephaner Unternehmensvergleich
von 2003 für Milchwirtschaftliche Betriebe verwendet.
Aus der Berechnungsformel (6.1) resultiert eine Masse an eingesetztem Rohstoff
(in diesem Falle Rohmilch), die angibt, ab wann sich die teueren Hygienic Design
Bauformen amortisieren. Ab diesem Zeitpunkt machen sie sich bezahlt und helfen
dem Unternehmen Kosten im laufenden Betrieb durch schnellere CIP-Reinigung
zu sparen.
Bei einer Neuanschaffung eines Sensors und dessen Einbindung stehen Unternehmen
immer vor der Entscheidung ein billiges Bauteil mit hohen CIP-Kosten
anzuschaffen, oder eine größere Investition zu tätigen um niedrigere Reinigungskosten
zu erzielen. So amortisiert sich z.B. die teuere Variante des Sensoreinbaus
mit Varivent-Anschluß mit einer Einsparung der CIP-Kosten um 56% gegenüber
einer Montage mit 4d-T-Stück für das Unternehmen Nr. 6 mit Hygienic-Design relevanten
CIP-Gesamtkosten von 0,426 ct/kg eingesetzten Rohstoff, nach Verarbeitung
der folgenden Masse an eingesetzten Rohstoffs nach Formel (6.1):
Differenz der Investitionskosten 200€
= = 46,9 t
HD −relevanter Anteil der CIP −Gesamtkosten
ct
0,426
kg
(6.1)

6 Berechnung des Einsparpotentials 74
D.h. nach 46,9 t verarbeiteten Rohstoff im Unternehmen Nr. 6 hat sich die höhere
Investition in eine hygienegerechte Sensoranbindung amortisiert und beginnt ab
dann die Ausgaben des Unternehmens durch günstigere CIP-Kosten gering zu
halten, da die laufenden CIP-Kosten im Vergleich zum Sensoreinbau im 4d-T-
Stück um 56% reduziert werden können. Voraussetzung hierfür ist, dass das CIP-
Programm angepasst und gekürzt wurde.
Die Ergebnisse für jedes der sechs Unternehmen sind durch die Formel (6.1) berechnet
worden und in Tabelle 11 gezeigt.
Tabelle 11: Amortisation einer Neuanschaffung einer hygienischen Sensoranbindung nach
der Menge eingesetzten Rohstoffs [t] je Unternehmen
Unternehmen
Anstelle von 1 2 3 4 5 6
VARINLINE 4d-T-Stück 65,6 68,3 134,6 216,8 70,9 46,9
WIKA TR25 4d-T-Stück 160,8 166,7 329,8 531,5 173,6 114,8
Mit dieser Kalkulation lassen sich Rückschlüsse ziehen, ob und ab welcher Menge
eingesetzten Rohstoffs es für einen Lebensmittelhersteller rein finanziell betrachtet
Sinn macht, diese teueren, hygienefreundlichen Bauteile zu kaufen und zu installieren.
Bei einem Volumen von ca. 380000 l produzierter Milch pro Tag [31] bedeutet das
für eine mittelständische Molkerei, dass sich die Investitionskosten für eine Neuanschaffung
eines WIKA TR25 Temperatur-Sensors gegenüber einem Messfühler
in einem 4d-T-Stück bereits nach weniger als zwei Tagen Produktion amortisiert
hätten (Zugrunde gelegt wurde der ungünstigste Fall mit den HD-relevanten Anteile
der CIP-Kosten des Unternehmens 4). Ab dann würde das Unternehmen von
den günstigeren CIP-Reinigungskosten profitieren.
Abgesehen von den teueren Anschaffungskosten läuft der Lebensmittelhersteller
ohne Verwendung von Hygienic Design Gefahr seine Produkte durch mangelhaft
gereinigte Bauteile zu gefährden und im schlimmsten Fall eine Rückrufaktion oder
einen Lebensmittelskandal zu verursachen. Dieser könnte nicht abzusehende Folgen
für den Produzenten haben, da die Gesundheit der Konsumenten gefährdet

6 Berechnung des Einsparpotentials 75
werden könnte und der Marke ein enormer Imageverlust drohen würde. Allein aus
diesem Grund ist eine Verwendung von hygienegerechten Anlagenbauteilen sehr
empfehlenswert.
6.2 Einsparpotential durch hygienische Ventilschaltungen
Bei Verwendung eines 3-Wege-Ventils anstelle einer Klappenventilkonstruktion
lässt sich die Reinigungszeit um 49% senken (vgl. Abb. 42 auf S. 61). Dies stellt
ein enormes Einsparpotential bei den laufenden CIP-Kosten dar. Die hygienischen
Einsitz-Umschaltventile der Firma GEA Tuchenhagen sind nicht nur schneller zu
reinigen, sondern sind zudem in der Anschaffung günstiger als zwei herkömmliche
Klappenventile (siehe Tabelle 8 auf S. 71). Zudem müssen bei einer Scheibenventilkombination
zwei Ventile verkabelt, mit Pneumatikanschlüssen versehen, gesteuert
und überwacht werden. Bei einem Umschaltventil muss dies alles nur einfach
geschehen. Die zusätzlichen Kosten für eine Klappenventillösung hängen
sehr stark vom vorhandenen Steuerungssystem und dessen Kapazität ab. Eine
allgemeine Kostenabschätzung hierzu kann nicht abgegeben werden. Insofern
sollte es bei einer Neuanschaffung für ein Unternehmen keine Beweggründe mehr
geben eine Scheibenventilschaltung zu verwenden. Anders stellt sich die Situation
dar, wenn bereits eine solche Ventilschaltung verbaut ist und eine Entscheidungsgrundlage
für einen Austausch durch ein hygienisches Einsitz-Umschaltventil fehlt.
Für die anschließende Berechnung des Einsparpotentials wird angenommen, dass
ein Unternehmen bereits eine unhygienische Klappenventilkombination verbaut
hat und wissen will, wann sich eine Neuinvestition in ein Umschaltventil amortisiert
hat. Für das Unternehmen Nr. 6 fällt die Berechnung nach Formel (6.2) wie folgt
aus:
Investitionskosten 1450€
= = 339,6 t
HD −relevanter Anteil der CIP −Gesamtkosten
ct
0,427
kg
(6.2)

6 Berechnung des Einsparpotentials 76
Tabelle 12: Amortisation eines Austausches einer Klappenventilkombination durch eine
hygienische Ventilschaltung nach einer Menge eingesetzten Rohstoffs [t] je Unternehmen
Unternehmen
1 2 3 4 5 6
475,8 493,3 975,9 1571,8 513,7 339,7
Das bedeutet, dass z.B. Unternehmen Nr. 2 nach ca. 500 t verarbeiteter Rohmilch
die Investitionskosten für ein Umschaltventil durch die günstigere Reinigung bereits
kompensiert hat, falls dadurch die Reinigungszeit optimal an das neue Bauteil
angepasst wurde. Das würde für eine Molkerei mit einem Produktionsvolumen von
ca. 380000 l Milch pro Tag [31] eine Amortisierungszeit von maximal vier Tagen
bedeuten, wenn man den Wert von Unternehmen Nr. 4 an eingesetzten Rohstoff
aus Tabelle 12 zur Berechnung verwendet. Natürlich müssen an einer komplizierten
Produktionsanlage mehrere oder viele solcher Schwachstellen eliminiert werden,
um ein Reinigungsprogramm optimal mit einer kürzeren Dauer einzustellen.
Deswegen stellt sich ein Vielfaches der Menge an verarbeiteten Rohstoff ein, damit
sich mehrere solcher Umschaltventile amortisieren können. Das neue, kürzere
Reinigungsprogramm muss zuerst noch validiert werden, ob danach die Anlage
auch wirklich sauber ist. Trotzdem ist ein Vergleich mit nur einem Bauteil hilfreich,
um eine Investition in hygienegerechte Bauteile einschätzen und begründen zu
können. Im Rahmen dieser Arbeit war es nicht möglich eine große Produktionsanlage
wie beispielsweise eine UHT(ultra high temperature)-Anlage in Milch verarbeitenden
Unternehmen zu testen.
6.3 Einsparpotential durch Hygienic Design bei funktionellen Bau-
teilgruppen
Die Vergleiche der Sensoranbindung und der Ventilschaltungen können die Wirklichkeit
nur sehr modellhaft beschreiben, da sie nur einzelne Bauteile darstellen.
Deswegen wurde im Rahmen der Arbeit eine Baugruppe jeweils als herkömmliche
Variante mit drei T-Stücken und einer Scheibenventilkombination (siehe Abb. 21
auf S. 33) und als Hygienic Design Alternative mit einem Temperatursensor mit
zylindrischer Innenoberfläche (WIKA TR25), einem VARINLINE-Gehäuse für zwei
weitere Messfühler und einem Umschalt-Ventil untersucht (siehe Abb. 20 auf S.

6 Berechnung des Einsparpotentials 77
33). Die durchschnittlichen Reinigungszeiten betragen 56 s für die reinigungsgerechte
Variante und 236 s für die herkömmliche Konstruktion mit Hygienemängeln.
Unter verloren durchgeführter CIP-Reinigung betrachtet, ergibt sich aus den
Messwerten eine Einsparung von ca. 76% wenn anstelle der herkömmlichen Lösung
die Variante mit Hygienic Design verwendet wird.
Angenommen diese Baugruppen stellen eine funktionstüchtige Einheit dar und
finden als Testanlage in einem Milch verarbeitenden Unternehmen Anwendung,
dann lassen sich die Zahlen des Weihenstephaner Unternehmensvergleich darauf
anwenden.
Die Investitionskosten für die verwendeten Bauteile betragen ca. 2320 € für die
herkömmliche Variante mit Hygieneschwachstellen und ca. 2440 € für die Hygienic
Design Variante. Daher stellt sich bei Neuanschaffung sicherlich nicht die Frage,
ob ein Betrieb auf die deutlichen Vorteile der letzteren Kombination aufgrund
des geringfügig höheren Preises verzichten sollte. Da aber in vielen älteren Produktionsstätten
solch herkömmliche Bauteilkombinationen vorhanden sind und
sich oftmals die Geschäftsführung nicht sicher ist, ob eine Investition in hygienegerechte
Bauteile sinnvoll und rentabel ist, wird im folgenden eine Umrüstung der
herkömmlichen auf die reinigungsgerechte Variante betrachtet und anhand der
Daten des Weihenstephaner Unternehmensvergleichs berechnet.
Ebenso wie in den Abschnitten zuvor errechnet sich die Menge an verarbeiteten
Rohstoff, bei der die HD-Variante die höheren Investitionskosten durch günstigere
CIP-Kosten ausgeglichen hat. Für das Unternehmen Nr. 6 ergibt sich mit Formel
(6.3) eine Masse von ca. 571 t Rohstoff, ehe sich die Investition in Hygienic Design
amortisiert hat.
Investitionskosten 2440€
= = 571,4 t
HD −relevanter Anteil der CIP −Gesamtkosten
ct
0, 427
kg
(6.3)

6 Berechnung des Einsparpotentials 78
Tabelle 13: Amortisation eines Austausches eines herkömmlichen durch eine hygienische
Baugruppe nach einer Menge eingesetzten Rohstoffs [t] je Unternehmen
1 2 3
Unternehmen
4 5 6
800,7 830,1 1642,2 2644,9 864,4 571,7
Diese Zahlen aus Tabelle 13 verdeutlichen, dass der Aufwand für die Umstellung
einer kompletten Produktionsanlage nach Hygienic Design Vorstellungen sehr
schnell eine hohe Investition darstellt und manchmal von den Entscheidungsträgern
gescheut wird. Da aber die Masse an Rohstoff für die Milchindustrie innerhalb
relativ kurzer Zeit verarbeitet wird, amortisieren sich solche Umbaumaßnahmen
auch genauso schnell und zeichnen sich über ihre Lebensdauer durch günstigere
Reinigungskosten aus. Werden hierzu öffentliche Daten einer Molkerei verwendet
[31], amortisieren sich die Investitionskosten bei einer Produktionsleistung
von 380000 l pro Tag bereits nach einer Woche, wenn bspw. die CIP-Kosten des
Unternehmens 4 aus Tabelle 13 als Grundlage zur Berechnung verwendet werden.
Voraussetzung dafür ist jedoch ein kürzer eingestelltes Reinigungsprogramm, das
seine Wirksamkeit bei einer Validation unter Beweis stellen muss.

7 Zusammenfassung und Ausblick 79
7 ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK
Um einen Prozess steuern und kontrollieren zu können, ist es unabdingbar, Informationen
über den Ist-Zustand des Systems zu kennen. Dazu benötigt man Sensoren,
die bestimmte physikalische Größen messen und z.B. an eine Steuerung
oder an den Bediener einer Anlage weiterleiten. Diese Sensoren können senkrecht
in ein Rohrleitungssystem mittels eines angeschweißten T-Stücks montiert
werden, oder z.B. durch ein Kugelgehäuse. Doppelt so lange Totenden bedeuten
mehr als doppelt so lange Reinigungszeiten und dementsprechend einen größeren
finanziellen Aufwand. Aber nicht nur die absolute Reinigungsdauer, sondern
auch der zeitliche Verlauf der Reinigung unterscheidet sich deutlich. Im längeren
Totende sind die Strömungsgeschwindigkeiten deutlich langsamer und betragen
nur noch einen Bruchteil der Hauptströmungsgeschwindigkeit. Bei kleinen Modellsystemen
bestimmt das am schwierigsten zu reinigende Bauteil die Reinigungsdauer.
Wird hingegen ein Kugelgehäuse zur Sensoranbindung verwendet, wird die
Reinigungsdauer nicht negativ beeinflusst und somit die CIP-Reinigungskosten
gegenüber einem Referenzrohr nicht erhöht. Zudem können zwei Sensoren mittels
eines Gehäuses angebunden werden. Über 50% der Reinigungskosten können
in einem Betrieb gespart werden, wenn Kugelgehäuse anstatt 4d-T-Stücke
verwendet werden. Sogar über 60%, wenn Sensoren mit zylindrischer Innenoberfläche
(z.B. WIKA TR25) benutzt werden. Ab wann sich der Trade-Off zwischen
den Investitions- und den Reinigungskosten für ein Unternehmen lohnt, hängt sehr
stark von den Bedingungen im Betrieb ab und kann pauschal nicht ausgesprochen
werden. Allerdings ist die benötigte Zeit bis zum Erreichen des Amortisationszeitpunktes
eher als gering einzustufen.
Verwendet ein Lebensmittelhersteller zur Steuerung seiner Produkte in Rohrleitungssystemen
statt einer Klappenventilkombination ein 3-Wege-Ventil ohne
Toträume, so lassen sich Einsparungen in den laufenden CIP-Kosten von bis zu
50% realisieren. Zudem sind die Investitionskosten für ein Umschaltventil geringer
als bei einer unhygienischen Klappenventilkombination und eine doppelte Ansteuerung
entfällt, da nur ein einziger, pneumatischer Antrieb benötigt wird. Daher ist
bei einer Neuanschaffung die Hygienic Design Variante sowohl in der Anschaffung,
als auch im Betrieb kostengünstiger. Einzig der Austausch einer unhygienischen

7 Zusammenfassung und Ausblick 80
Ventil-Lösung stellt einen finanziellen Aufwand dar, der sich allerdings in wenigen
Tagen bereits amortisiert hat. Werden diese Zahlen für Einzelbauteile auf eine
fiktive Produktionsanlage mit beispielsweise zehn Sensoranbindungen und zehn
Ventilschaltungen hochgerechnet, so ergeben sich Amortisierungszeiten von wenigen
Monaten. Aufgrund einer deutlich längeren Standzeit der Komponenten profitieren
Unternehmen, die auf Hygienic Design setzen, über die gesamte Lebensdauer
der Bauteile aufgrund günstigerer CIP-Reinigungskosten.
Der von der EHEDG gerne verwendete Vergleich eines kleinen Ausschnitts aus
einem Rohrleitungssystem in unhygienischer Ausführung (vgl. Abb. 44 auf S. 63)
mit dem eines nach Hygienic Design Richtlinien konstruierten Abschnitts (Abb. 45
auf S. 64) wurde bisher noch nicht mit konkreten Zahlen untermauert. Diese Arbeit
kann einen Beitrag hierzu leisten. Ein Vergleich dieser Konstruktionen wurde angestellt
und eine Amortisationszeit bei mittelständischen Molkereien von weniger
als eine Woche ermittelt. Natürlich müssen mehr als eine solche Konstruktion in
großen Industrieanlagen ausgetauscht oder neu angeschafft werden, trotzdem
zeigen diese Zahlen recht deutlich, dass sich Hygienic Design für Unternehmen,
nicht nur in der Lebensmittelindustrie, sehr schnell auszahlen kann.
Zusammenfassend kann durch diese Arbeit belegt werden, dass sich Hygienic
Design trotz der höheren Investitionskosten aufgrund der geringeren CIP-
Reinigungskosten für einen Industriebetrieb innerhalb kurzer Zeit lohnen kann.
Diese Arbeit soll eine Entscheidungshilfe zugunsten hygienegerechter Bauteile
sein und dem Management der Betriebe eine solide Grundlage für ihre Entscheidung
bieten.
Damit die in dieser Arbeit allgemein gehaltenen Aussagen und Berechnungen zum
Einsparpotential durch Verwendung von Hygienic Design in der Praxis evaluiert
werden, würde sich eine Überprüfung von Produktionsanlagen in der Industrie anbieten.
Zudem könnte eine noch sensiblere Messmethodik die Detektion von kleineren
Problemstellen, wie z.B. Spalten in lösbaren Rohrleitungsverbindungen ermöglichen
und somit eine Evaluation einer spaltfreien Aspetik-Verbindung gegenüber
einer herkömmlichen Milchrohrverschraubung ermöglichen.

8 Literaturverzeichnis 81
8 LITERATURVERZEICHNIS
1. Atkins, P.W., Atkin's physical chemistry. 8. ed. 2006, Oxford: Oxford Univ.
Press.
2. Bauer, H., Stoffaustausch einschließlich chemischer Reaktionen. 1971,
Frankfurt: Sauerländer.
3. Baumbach, F., Piping systems, seals and valves. Hygiene in food process-
ing, ed. H.L.M. Lelievield, et al. 2003, Cambridge: Woodhead Publishing
Limited.
4. Bundesrepublik Deutschland, Gesetz über die Haftung für fehlerhafte Pro-
dukte (Produkthaftungsgesetz - ProdHaftG), in I. 1989: Bundesgesetzblatt.
5. Buzby, J.C., et al., Bacterial Foodborne Disease: Medical Costs and Pro-
ductivity Losses. Agricultural Economics Report (AER), 1996. 741.
6. Coenenberg, A.G., T.M. Fischer, and T. Günther, Kostenrechnung und Kos-
tenanalyse. 6. Auflage ed. 2007, Stuttgart: Schäffer-Poeschel.
7. Cussler, E.L., Diffusion - mass transfer in fluid systems 2nd ed. 1997,
Cambridge: Cambridge Univ. Press.
8. Das europäische Parlament und der Rat der europäischen Union, Verord-
nung (EG) Nr. 178/2002 des Europäischen Parlaments und des Rates vom
28. Januar 2002 zur Festlegung der allgemeinen Grundsätze und Anforde-
rungen des Lebensmittelrechts, zur Errichtung der Europäischen Behörde
für Lebensmittelsicherheit und zur Festlegung von Verfahren zur Lebensmittelsicherheit,
in L 31/1. 2002: Amtsblatt der europäischen Gemeinschaften.
p. 1-24.
9. Das europäische Parlament und der Rat der europäischen Union, Verord-
nung (EG) Nr. 852/2004 des Europäischen Parlaments und des Rates vom
29. April 2004 über Lebensmittelhygiene, in L 139/1. 2004: Amtsblatt der
europäischen Gemeinschaften. p. 1-54.
10. Das europäische Parlament und der Rat der europäischen Union, Richtlinie
2006/42/EG des europäischen Parlaments und des Rates vom 17. Mai
2006 über Maschinen und zur Änderung der Richtlinie 95/16/EG (Neufassung),
in L 157/24. 2006: Amtsblatt der Europäischen Union. p. 1-63.

8 Literaturverzeichnis 82
11. DIN - Deutsches Institut für Normung, Stoffübertragung - Diffusion und
Stoffübergang, Grundbegriffe, Größen, Formelzeichen, Kenngrößen. 1970,
Beuth Verlag, Berlin.
12. DIN - Deutsches Institut für Normung, Lebensmittelhygiene - Reinigung und
Desinfektion. 2001, Beriln: Beuth Verlag.
13. DIN - Deutsches Institut für Normung, Nahrungsmittelmaschinen - Allge-
meine Gestaltungsleitsätze - Teil 2: Hygieneanforderungen, in DIN EN
1672-2. 2005, Beuth Verlag: Berlin.
14. DIN - Deutsches Institut für Normung, "Fluidtechnik - Graphische Symbole
und Schaltpläne" DIN ISO 1219-1. 2007, Berlin: Beuth Verlag.
15. Dürr, H. and G. Wildbrett, Schmutz und Verschmutzung. 2. Auflage ed.
Reinigung und Desinfektion in der Lebensmittelindustrie, ed. G. Wildbrett.
2006, Hamburg: B. Behr's Verlag.
16. EHEDG - European Hygienic Engineering & Design Group, Hygienic re-
quirements of valves for food processing. 2004.
17. EHEDG - European Hygienic Engineering & Design Group, Hygienic design
of closed equipment for processing of liquid food. 2006.
18. Environmental Technology Best Practice Programme, Reducing the cost of
cleaning in the food and drink industry. Good Practice Guide. GG154.
19. European Hygienic Engineering & Design Group, EHEDG Glossary. 2004.
20. Graßhoff, A., Toträume in CIP-gereinigten Rohrleitungssystemen. Deutsche
Milchwirtschaft, 1983. 13: p. 407-414.
21. Graßhoff, A., Reinigungsverfahren. 2. Auflage ed. Reinigung und Desinfek-
tion in der Lebensmittelindustrie, ed. G. Wildbrett. 2006, Hamburg: B.
Behr's Verlag.
22. Hoffmann, W., Zirkulationsreinigen (CIP) von geraden Rohren in Abhängig-
keit von Oberflächenrauhigkeit und anderen Einflussfaktoren, in Agrarwis-
senschaftliche Fakultät. 1983, Christian-Albrechts-Universität: Kiel.
23. Hofmann, J., Hygienefreundliche Gestaltung von Betriebsräumen, Anlagen
und Geräten. 2. Auflage ed. Reinigung und Desinfektion in der Lebensmit-
telindustrie, ed. G. Wildbrett. 2006, Hamburg: B. Behr's Verlag.
24. Hofmann, J., Stoffübergang bei der Reinigung als Qualifizierungsmethode
der Reinigbarkeit, in Lehrstuhl für Maschinen- und Apparatekunde. 2007,
Technische Universität München: Freising - Weihenstephan.

8 Literaturverzeichnis 83
25. Ilberg, V., Überprüfung einer CIP-Anlage - Praktische Erfahrungen in einem
modernen Abfüllbetrieb. LVT Lebensmittelindustrie, 2007. Volume, 44-46
26. Kessler, H.G., Food and Bio Process Engineering. 5. ed. 2002, München:
Verlag A. Kessler.
27. Loncin, M., Aktuelle Entwicklungen auf dem Gebiet der Reinigung und Des-
infektion in der Lebensmittel-Industrie. Chemie Ingenieur Technik, 1986.
58(2): p. 108-114.
28. Majoor, F.A., Cleaning in place. Hygiene in food processing, ed. H.L.M.
Lelievield, et al. 2003, Cambridge: Woodhead Publishing Limited.
29. Mauch, W., Zucker und Zuckerwaren. 2. Auflage ed, ed. H. Hoffmann, W.
Mauch, and W. Unze. 2002, Hamburg: Behr's Verlag.
30. Mersmann, A., Stoffübertragung. 1986, Berlin; Heidelberg: Springer-Verlag.
31. Molkerei Weihenstephan, www.molkerei-weihenstephan.de/6206.0.html.
2009 [cited 21.02.2009].
32. N.N., Spannungsfeld höhere Qualität bei geringeren Kosten. Chemie In-
genieur Technik, 2003. 75(5): p. 581-583.
33. Scheibe, B., et al., Detection of trace amounts of hidden allergenes: hazle-
nut and almond proteins in chocolate. Journal of Chromatography, 2001.
756: p. 229-237.
34. Schiweck, H., Handbuch Süssungsmittel: Eigenschaften und Anwendung,
ed. G.-W. von Rymon Lipinski and H. Schiweck. 1990, Hamburg: Behr's
Verlag.
35. Statistisches Bundesamt, Statistisches Jahrbuch 2008 für die Bundesrepu-
blik Deutschland. 2008.
36. Thonhauser Reinigungstechnik und Biotechnologie GmbH, TM CIP Verifi-
zierung - Die Schritte einer CIP-Verifizierung. 2005: p. 1-8.
37. Thonhauser Reinigungstechnik und Biotechnologie GmbH, Verification in
Place - Inline Reinheitskontrolle anhand von Fallbeispielen. 2007.
38. Thonhauser Reinigungstechnik und Biotechnologie GmbH, Violett heißt
sauber. Getränkeindustrie, 2007: p. 30-31.
39. Thonhauser Reinigungstechnik und Biotechnologie GmbH, Product and
process documentation TM SMART ADD LIQUID - CIP-process evaluation
and disinfection additive. o.J.: p. 1-8.
40. Tuchenhagen, G. http://www.tuchenhagen.de. 2009 [cited 21.02.2009]

8 Literaturverzeichnis 84
41. Verein Deutscher Ingenieure (VDI) - Gesellschaft Verfahrenstechnik und
Chemieingenieurwesen, VDI Wärmeatlas. 8. Auflage ed. 1997, Heidelberg:
Springer Verlag.
42. Wildbrett, G., Einführung. 2. Auflage ed. Reinigung und Desinfektion in der
Lebensmittelindustrie, ed. G. Wildbrett. 2006, Hamburg: B. Behr's Verlag.

9 Tabellenverzeichnis 85
9 TABELLENVERZEICHNIS
Tabelle 1: Einsparpotential bei den laufenden Kosten durch
hygienegerechte Bauteile...................................................................5
Tabelle 2: vollständiges Reinigungs- und Desinfektionsverfahren [27] und
ihre Funktion [28] ...............................................................................8
Tabelle 3: Vorteile einer CIP-Reinigung [28].......................................................9
Tabelle 4: Analogie der dimensionslosen Kennzahlen aus Wärme- und
Stoffübergang...................................................................................15
Tabelle 5: Konstruktionsempfehlungen für lösbare Verbindungen....................19
Tabelle 6: Vergleich der Teilchengeschwindigkeiten zur
Hauptströmungsgeschwindigkeit......................................................23
Tabelle 7: Kosten für die Reinigung [15]...........................................................24
Tabelle 8: Marktpreise für die in den Reinigungsversuchen verwendeten
Bauteile ............................................................................................71
Tabelle 9: Reduzierung der Reinigungszeit bei der hygienischer
Sensoreinbindung im Vergleich zur Montage in T-Stücken..............72
Tabelle 10: Kosten für die Sensoranbindung ......................................................72
Tabelle 11: Amortisation einer Neuanschaffung einer hygienischen
Sensoranbindung nach der Menge eingesetzten Rohstoffs [t] je
Unternehmen ...................................................................................74
Tabelle 12: Amortisation eines Austausches einer Klappenventilkombination
durch eine hygienische Ventilschaltung nach einer Menge
eingesetzten Rohstoffs [t] je Unternehmen ......................................76
Tabelle 13: Amortisation eines Austausches eines herkömmlichen durch
eine hygienische Baugruppe nach einer Menge eingesetzten
Rohstoffs [t] je Unternehmen............................................................78

10 Abbildungsverzeichnis 86
10 ABBILDUNGSVERZEICHNIS
Abb. 1: Life Cycle Costs [6]..................................................................................4
Abb. 2: Erweiterter Sinnerkreis zur Darstellung der Einflussfaktoren im
Nassreinigungsprozess [21] ....................................................................8
Abb. 3: Geschwindigkeitsprofile bei laminarer und turbulenter Strömung im
Rohr [30]................................................................................................11
Abb. 4: Geschwindigkeitsprofile bei laminarer und turbulenter Strömung
nahe einer Wand [30] ............................................................................12
Abb. 5: Dicke der laminaren Unterschicht in Abhängigkeit von der
Strömungsgeschwindigkeit; d= 50mm, ν=0,413*10 -6 m²/s [22].............13
Abb. 6: Temperaturverteilung in einem T-Stück [26]..........................................16
Abb. 7: Konzentrationsausgleich durch Diffusion [1]..........................................17
Abb. 8: Stationäre Diffusion (1. Fick'sches Gesetz) [1] ......................................18
Abb. 9: Rohrleitungsverbindungen mit Hygienerisiko (links) und nach
Hygienic Design Kriterien konstruierte (rechts) [16]...............................20
Abb. 10: Strömungsformen in einem T-Formstück ..............................................21
Abb. 11: Relative Strömung im Totraum, Strömungsfall I [20] .............................21
Abb. 12: Relative Strömung im Totraum, Strömungsfall II [20] ............................22
Abb. 13: Relative Strömung im Totraum, Strömungsfall III [20] ...........................23
Abb. 14: Analyse der Wasserverbräuche in Getränkeabfüllbetrieben in den
USA [36] ................................................................................................25
Abb. 15: Preisindex der Bundesrepublik Deutschland [35] ..................................26
Abb. 16: Molekülstruktur von Saccharose............................................................27
Abb. 17: Sättigungskennlinie von Saccharose-Lösungen [34].............................28
Abb. 18: Viskosität der Zuckerlösung in Abhängigkeit der Scherrate ..................29
Abb. 19: VARINLINE Gehäuse zur Sensoranbindung [40] ..................................31
Abb. 20: Bauteil nach Hygienic Design Kriterien..................................................33
Abb. 21: Bauteil mit Hygienerisiken .....................................................................33
Abb. 22: Farbverlauf von Thonhauser Smart Add12 [38].....................................34
Abb. 23: Farbverlauf der Farben der Mangan-Spezies bei steigender
Verschmutzung [37]...............................................................................35
Abb. 24: Photo-Eye der Firma Thonhauser [38] ..................................................39
Abb. 25 Aufbau des Reinigungsstandes.............................................................40

10 Abbildungsverzeichnis 87
Abb. 26: graphische Auftragung des Mn7-Werts gegen die Zeit..........................44
Abb. 27: normierte Auftragung des Mn7-Werts gegen die Zeit von
verschiedenen Messungen....................................................................45
Abb. 28: Darstellung der Versuchsergebnisse mittels 95%
Konfidenzintervallbereiche ....................................................................47
Abb. 29: Zusammensetzung der CIP-Reinigungskosten .....................................48
Abb. 30: CIP-Gesamtkosten mit Verhältnis der von Hygienic Design
abhängigen und unabhängigen Kosten .................................................48
Abb. 31: CIP-Gesamtkosten je eingesetzten Rohstoff.........................................49
Abb. 32: Preise für Strom, Wasser und Dampf ....................................................50
Abb. 33: links: Totraum durch herkömmliche Anbindung, rechts:
produktbündige Anbindung mit VARINLINE-Gehäuse [40] ...................51
Abb. 34: Reinigungszeiten von T-Stücken mit verschieden langen Totenden .....52
Abb. 35: Zeitlicher Reinigungsverlauf der T-Stücke mit 95%-
Konfidenzintervall ..................................................................................54
Abb. 36: Reinigungszeiten der T-Stück-Kombinationen ......................................55
Abb. 37: Totenden bei der Sensoranbindung [17] a) Produktraum, b)
Totraum, c) Sensor................................................................................56
Abb. 38: Reinigungszeiten der Sensoreinbauten.................................................57
Abb. 39: Zeitlicher Reinigungsverlauf der Sensoreinbauten mit 95%-
Konfidenzintervall ..................................................................................58
Abb. 40: Änderung des Stoffübergangs während der Reinigung eines Rohrs
mit Totraum [24] ....................................................................................59
Abb. 41: links: Klappenventilschaltung mit einer Totraumlänge des 2,5-
fachen Durchmessers, rechts: 3-Wege-Ventil [17] a) Produktraum,
b) Klappenventil, c) Totraum .................................................................60
Abb. 42: Reinigungszeiten der Ventilschaltungen................................................61
Abb. 43: Zeitlicher Reinigungsverlauf der Ventilschaltungen mit 95%-
Konfidenzintervall ..................................................................................62
Abb. 44: Durch T-Stücke verursachte Toträume in Rohrleitungssystemen [3].....63
Abb. 45: Rohrleitungssystem nach Hygienic Design Richtlinien [3] .....................64
Abb. 46: Reinigungszeiten zweier funktionell gleicher Baugruppen nach
Hygienic Design (links) und mit problematischen Hygienerisiken
(rechts) ..................................................................................................64

10 Abbildungsverzeichnis 88
Abb. 47: zeitlicher Verlauf der Reinigung der beiden funktionell gleichartigen
Baugruppen...........................................................................................65
Abb. 48: Reinigungszeiten zweier Kreiselpumpen (ein- und dreistufig) ...............67
Abb. 49: Zeitlicher Reinigungsverlauf zweier Pumpensysteme ...........................68
Abb. 50: Vergleich der Reinigungsdauer von Pumpen mit T-Stücken .................69