Wirtschaftliche Vakuumtechnik in der Lebensmittelverpackung: Teil 2

Die Vakuumverpackung wurde vor mehr als 50 Jahren eingeführt und seitdem beständig weiterentwickelt. Das Verpacken unter Vakuum oder unter Schutzgas (MAP = Modified Atmosphere Packaging) ist heute die gängigste Methode, um Lebensmittel hygienisch, portionsgerecht und für den Verbraucher attraktiv zu verpacken. Die Lebensmittel bleiben unter Vakuum auch ohne Konservierungsstoffe länger haltbar. Um möglichst energieschonend und wirtschaftlich zu verpacken, lohnt es sich, die Vakuumversorgung im Betrieb genau zu betrachten.

Während wir im ersten Teil unseres Artikels auf die Grundlagen der Vakuumerzeugung eingegangen sind, soll heute auf weitere Parameter eingegangen werden, die auf die Betriebskosten Auswirkungen haben können. Diese sind:

In der Lebensmittelindustrie werden überwiegend diese drei Arten von Verpackungsmaschinen eingesetzt:

Bei allen Arten von Verpackungsmaschinen evakuieren die Vakuumpumpen die Verpackungskammer auf das gewünschte Vakuumniveau, das bei Frischfleisch beispielsweise zwischen 2 und 10 mbar liegt. Schutzgasverpackungen werden meist nur auf ein Vakuumniveau von 100 bis 300 mbar evakuiert. Bei Tiefzieh-Verpackungsmaschinen kommt noch die zusätzliche Aufgabe hinzu, das Vakuum zum Tiefziehen der Unterfolie zu erzeugen.
Auch dafür ist ein Vakuumniveau zwischen 100 und 250 mbar ausreichend.

Vakuumpumpen

Die mit Abstand am häufigsten eingesetzten Vakuumerzeuger sind ölgeschmierte Drehschieber-Vakuumpumpen (Abb. 2). Sie sind in dieser Anwendung dank ständiger Weiterentwicklung und Optimierung Stand der Technik und zeichnen sich durch ihre Robustheit und Zuverlässigkeit aus. Ein interner Ölkreislauf sorgt für hohe Betriebssicherheit, hohes Vakuumniveau (0,1 mbar = 99,99 Prozent), hohe Wasserdampfverträglichkeit und einen Selbstreinigungseffekt (Abb. 3). Diesen Vorteilen stehen eine regelmäßig notwendige Wartung und ein eingeschränkter Drehzahl-Regelbereich gegenüber.

Trockene Schrauben-Vakuumpumpen wurden ursprünglich für Anwendungen, beispielsweise in der Halbleiterindustrie, entwickelt, die neben einem niedrigen Enddruck eine betriebsmittelfreie Verdichtung erfordern. Sie haben dort den Vorteil des geringeren Wartungsaufwands und der Option der Drehzahlregelung (Frequenzregelung). Aufgrund der sehr geringen Spaltweiten sowie des fehlenden schützenden Ölfilms, sind Schraubenpumpen weniger robust in Bezug auf Produkt- oder Flüssigkeitseintrag. Deshalb werden Schrauben-Vakuumpumpen nur ganz vereinzelt zum Vakuumverpacken eingesetzt. Es gibt auch Schrauben-Vakuumpumpen, deren Schraubenprofil auf dem einfachen Design eines Kompressors basiert. Sie sind nicht für die Erzeugung eines Vakuums optimiert und erreichen nicht den zum Verpacken notwendigen Enddruck. Dieser Nachteil kann durch eine integrierte Ölumlaufschmierung und durch den Betrieb bei sehr hohen Drehzahlen ausgeglichen werden. Dann gelten die großen Vorteile einer Schrauben-Vakuumpumpe, die minimale Wartung und die ölfreie Verdichtung jedoch nicht mehr. Der Betrieb bei hoher Drehzahl kann sich zudem negativ auf die Lebenszeit der Pumpe auswirken. Ähnlich wie die Schrauben-Vakuumpumpe läuft die Klauen-Vakuumpumpe (Abb. 4) trocken und benötigt keine Betriebsmittel. Allerdings erreicht sie in den relevanten Baugrößen nur einen Enddruck von 100 bis 150 mbar. Damit eignet sie sich nicht für die gesamte Vakuumverpackung, sondern nur für das Verpacken unter Schutzatmosphäre und zum Tiefziehen der Unterfolie in Tiefziehmaschinen. In diesen Anwendungen arbeiten Klauen-Vakuumpumpen annähernd wartungsfrei und äußerst energieeffizient.

Somit bleibt die ölgeschmierte Drehschieber-Vakuumpumpe auch der Vakuumerzeuger, der in den allermeisten Fällen zum Vakuumverpacken empfohlen werden kann.

Aufstellungsort

Bei kleineren Verpackungsmaschinen sind die Drehschieber-Vakuumpumpen in diese integriert. Bei größeren Verpackungsmaschinen können die Vakuumpumpen auch außerhalb der Verpackungsmaschine aufgestellt und durch Rohrleitungen oder Schläuche mit dieser verbunden sein. Grundsätzlich spielt der Abstand zwischen der Vakuumpumpe und der Verpackungsmaschine beziehungsweise der Verpackungskammer hinsichtlich des Wirkungsgrads eine wesentliche Rolle. Denn die Vakuumpumpe muss nicht nur die Verpackungskammer, sondern auch die Leitung von der Kammer bis zur Vakuumpumpe evakuieren. Je länger die Leitung ist, desto länger dauert die Evakuierung. Leitungen mit kleinerem Durchmesser erzeugen aber höhere Strömungsverluste, was wiederum die Evakuierzeit verlängert. In der Praxis begegnet man nicht selten strömungstechnisch falsch ausgelegten Verrohrungen und Verluste beim Saugvermögen von über 50 Prozent sind keine Seltenheit. Oft wird dann versucht, diese Verluste mit einer größeren Vakuumpumpe zu kompensieren. Das ist zum einen aus physikalischen Gründen nur bedingt möglich. Zum anderen ist mit einer solchen Scheinlösung ein überhöhter Energieverbrauch vorprogrammiert.

Taktzeiten und Verpackungszyklen

In der Regel wird man versuchen, möglichst kurze Taktzeiten und damit schnelle Verpackungszyklen zu erreichen. Die Evakuierungszeit macht bei Tiefziehmaschinen rund 30 Prozent und bei Doppelkammermaschinen rund 80 Prozent der Verpackungszyklen aus (Abb. 5). Daraus könnte man ableiten, dass die Vakuumpumpe während 20 bis 70 Prozent des Zyklus‘ unnötig in Betrieb ist und sich ein Energiesparpotential eröffnet, wenn man die Vakuumpumpe nur für die Evakuierung der Verpackungskammer ein- und ausschaltet.

Aus energetischer Sicht ergibt dieses Verfahren keinen Sinn, denn die Vakuumpumpe verbraucht in der Anlaufphase am meisten Strom. Außerdem wird ein Motor, der pro Minute mehrmals ein- und ausgeschalten wird, überhitzen und sehr schnell ausfallen. Eine Drehzahlregelung ist ebenfalls keine sinnvolle Option. Sie reagiert zu langsam, und der Energieverbrauch in der Phase zwischen Leerlaufmodus und voller Kapazität ist höher als wenn die Pumpe bei gleichbleibender Geschwindigkeit betrieben wird. Die Drehzahlregelung kann nur bei relativ langen Verpackungszyklen effizient sein. Darüber hinaus hat der permanente und synchrone Betrieb der Vakuumpumpe einen weiteren Vorteil: Auch wenn während des Verpackungszyklus gerade nicht evakuiert wird, hält die Vakuumpumpe das Vakuum in der Rohrleitung bis unmittelbar zum Ventil vor der Vakuumkammer aufrecht. Das Vakuum muss also nicht jedes Mal vollständig neu „aufgebaut“ werden, sondern liegt beim Öffnen des Ventils bereits an. Damit kann die Evakuierungszeit minimiert werden. Die Vakuumpumpe verbraucht in der Anlaufphase übermäßig viel Strom. Das gleiche gilt, wenn der Pumpenmotor – etwa bei Drehzahlregelung – außerhalb seines Drehzahloptimums betrieben wird.

Steuerung des Verpackungsprozesses

Die Steuerung der Verpackungsmaschine sollte grundsätzlich auch für die Vakuumpumpe zuständig sein. So können beide optimal aufeinander abgestimmt werden. So kann beispielsweise vermieden werden, dass die Vakuumpumpe in Betrieb ist, ohne dass wirklich verpackt wird. Die Steuerung wird üblicherweise vom Hersteller der Verpackungsmaschine mitgeliefert. Werden in einer Maschine unterschiedliche Verpackungsgrößen verwendet, kann es zu einer erheblichen Spanne bei den Taktzeiten kommen. Um möglichst energieeffizient zu arbeiten, sollte die Steuerung den Verpackungsdruck erfassen und damit den Verpackungsvorgang steuern. Diese Regelung reagiert damit sogar auf unterschiedliche Produktbeladungen.

Wärmeemission / Wärmerückgewinnung

Motor und Pumpenmechanik erzeugen im Betrieb Wärme und geben sie an die Umgebung ab. Diese Wärmeemission belastet das Raumklima. In klimatisierten Räumen muss die von den Vakuumpumpen abgegebene Wärmeenergie durch eine Klimaanlage kompensiert werden. Die Abwärme erfordert also einen zusätzlichen Energieaufwand für die Kühlung. Auf der anderen Seite kann die Abwärme auch durch einen Wärmetauscher vermieden werden. Eine weitere Möglichkeit besteht darin die Abwärme der Vakuumpumpen auch zum Heizen zu nutzen. So lässt sich etwa durch einen Öl/Wasser-Wärmetauscher ein Großteil der Abwärme als Wärmeenergie zurückgewinnen. Durch einen Öl/Wasser-Wärmetauscher können 50 bis 70 Prozent des Energieverbrauchs des Motors als Wärmeenergie zurückgewonnen und genutzt werden. Die Faustregel für die Bilanz von Abwärme und Kühlbedarf lautet: Für drei Kilowatt Abwärme der Vakuumpumpe wird ein Kilowatt zusätzliche Kühlenergie benötigt.

Zentrale Vakuumversorgung

Betriebe mit einer größeren Zahl von Verpackungsmaschinen haben einen entsprechend großen Vakuumbedarf. Überschreitet dieser ein bestimmtes Niveau, kann die Zentralisierung der Vakuumversorgung die effizienteste Option sein. Die mögliche Energieeinsparung ist dann gegen die Investitionskosten abzuwägen. Von Vakuumspezialisten geplant und genau auf die Anwendung ausgelegt, können Vakuumzentralanlagen (Abb. 1) viele Vorteile bieten:

Gesamtwirtschaftlichkeit

Nicht für jede Verpackungsmaschine ist eine separate Vakuumpumpe notwendig. Je nach Anlagendesign kann die Zahl der Vakuumpumpen damit deutlich sinken, ebenso wie die Kosten für Anschaffung, Energieverbrauch und Wartung. Vorhandene Vakuumpumpen können integriert werden (siehe Fallbeispiel am Ende dieses Abschnitts).

Energieeinsparung durch bedarfsgerechte Steuerung

Die unvermeidliche starke Schwankung beim Vakuumbedarf der einzelnen Maschinen wird nivelliert. Die Gesamtleistung kann dauerhaft nahe am oder im Bereich des Effizienzoptimums geregelt werden. Damit ist eine erhebliche Energieeinsparung von teilweise über 50 Prozent möglich.

Wärmerückgewinnung / Kühlbedarf

Da die Systeme in einem separaten Raum installiert sind, gelangt keine Abwärme in klimatisierte Produktions- oder Verpackungsbereiche. Es entsteht kein zusätzlicher Kühlbedarf, um die Abwärme in klimatisierten Bereichen zu kompensieren. Gleichzeitig kann die Abwärme umfassend und effizient genutzt werden. Beide Effekte haben einen erheblichen Einfluss auf die Energie- und CO2-Bilanz des Gesamtbetriebes.

Betriebssicherheit

Wenn eine Vakuumpumpe gewartet wird, wird in der Vakuumzentralanlage automatisch eine andere Pumpe zugeschaltet. Stillstand, Leistungseinbußen und Produktivitätsverlust werden vermieden.

Kurze Taktzeiten, hohes Leistungsniveau

Das Rohrleitungssystem zwischen der zentralen Vakuumerzeugung und den Verpackungsmaschinen wird als Vakuumpuffer genutzt. Auch der Einbau zusätzlicher Pufferbehälter ist im Vakuum-Raum problemlos möglich. So steht das gewünschte Vakuumvolumen in der Verpackungskammer jederzeit quasi sofort zur Verfügung. Das garantiert die schnellstmögliche Evakuierung der Verpackung und führt zu maximal möglicher Taktleistung.

Einfache Wartung

Da die Vakuumzentralanlage außerhalb des Produktions- beziehungsweise Verpackungsbereichs installiert ist, kann sie bei laufendem Betrieb gewartet werden. Während der Wartung einer Vakuumpumpe arbeiten die anderen weiter, es gibt keinen Stillstand. Das Wartungspersonal muss die hygienisch sensiblen Bereiche nicht betreten.

Vollautomatischer Betrieb

Dank des bedarfsgerechten Steuersystems und der Verbindung mit dem Prozessleitsystem ist eine kontinuierliche Prozessüberwachung möglich. Definierte Zielwerte werden automatisch eingehalten.

Zusammenfassung

Um die Effizienz der Vakuumerzeugung zu optimieren, müssen zahlreiche Faktoren und die Eigenheiten der Unterdruck-Technologie berücksichtigt werden. Kombinationen von Vakuumpumpen oder die Zentralisierung der Vakuumversorgung bieten oft die beste Lösung, um das benötigte Vakuum im Prozesszyklus mit dem geringsten Energieverbrauch bereitzustellen. Da Vakuumpumpen unweigerlich auch Wärme erzeugen, spielen zudem die Aspekte zusätzlicher Kühlbedarf und Wärmerückgewinnung für die Effizienzbetrachtung eine nicht unbeträchtliche Rolle.
Für eine effiziente Vakuumerzeugung ist es deshalb unbedingt notwendig, den gesamten Prozess zu betrachten und dabei Vakuumtechnik und Prozess genau aufeinander abzustimmen. Eine universelle Lösung für jeden individuellen Prozess gibt es leider nicht.