DE4407061A1 - Anlage und Verfahren zur Fettgehaltssteuerung bei Milchflüssigprodukten auf der Basis der Messung des effektiven Fettgehaltes - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anlage zur Standardisierung von Milch auf der Basis einer Messung des effektiven Fettgehaltes mit einem den effektiven Fettgehalt von Milchflüssigprodukten direkt erfassenden Sensor sowie ein Verfahren zur Standardisierung von Milch mit Steuerung des Fettgehaltes auf der Basis einer Messung desselben.

Herkömmliche Anlagen und Verfahren zum Standardisieren von Milch und Rahm, d. h. zur Regulierung ihres Fettgehaltes, arbeiten mit Sensoren auf der Basis von Dichtemessungen mit Dichtemeßelementen. Bei der artigen Anlagen und Verfahren werden die Dichtemeßelemente zur Bestimmung der Fettgehalte der fettarmen und der der fettreichen Produkte angewendet. Der Fettgehalt von standardisierter Milch ergibt sich aus der Dichtedifferenz der fettarmen und der fettreichen Produkte.

Eine Standardisieranlage unter Verwendung von Dichtemeßelementen ist aus dem Firmenprospekt "Automatische Standardisier-Anlage für Milch und Rahm" der Firma Westfalia Separator, bekannt. Die Bestimmung des Fettgehaltes erfolgt dort nach der Referenzmethode, d. h. es müssen stets die Dichten von Magermilch und Rahm und/oder der standardisierten Milch ermittelt werden. Entsprechend der zu berechnenden Dichtediffe­ renz wird dann der Rahm- bzw. Milchfettgehalt eingestellt. Dabei ist zu beachten, daß die Dichte von Milchprodukten vom Fettgehalt, vom fettfreien Trockenmassengehalt und von der Temperatur abhängig ist. Um den Einfluß der Temperatur zu eliminieren, werden die Dichtemessungen bei der gleichen Temperatur (automatische Temperaturkompensation) ausgeführt. Um Schwankungen der fettfreien Trockenmasse in der Milch zu kompensieren, ist weiterhin eine Referenzmessung erforderlich. Zum anderen ist es problematisch, bei einer kontinuierlichen Messung mit dem fettfreien Trockenmassegehalt arbeiten zu müssen, da dieser Schwankungen unterliegt.

Der Genauigkeit der Messung des Fettgehaltes kommt wegen der z. B. bei der Trinkmilchabfällung anfallenden großen Mengen im Hinblick auf mögliche Einsparungen eine erstrangige Bedeutung zu.

Es ist deshalb eine Aufgabe der Erfindung, eine Anlage und ein Ver­ fahren zum genauen Steuern des Fettgehaltes in Milchflüssigprodukten mit einem Sensor zur genauen Ermittlung des effektiven Feststoffgehaltes bzw. des effektiven Fettgehaltes von Milch zu schaffen unter Vermeidung der Nachteile der bei der Milchherstellung in den entsprechenden An­ lagen eingesetzten Dichtesensoren einschließlich deren hoher Einfahrzeit.

Diese Aufgabe wird mit einer Anlage zur Standardisierung von Milch unter Steuerung des Fettgehaltes nach den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie mit einem Verfahren zur Standardisierung von Milch mit Steuerung des Fettgehaltes nach den Merkmalen des Anspruchs 6 gelöst.

Eine derartige Anlage mit einem solchen Sensor findet Anwendung beim Standardisieren von Milch. Unter Standardisieren wird das Einstellen auf einen vorgegebenen Fettgehalt der Milch bezeichnet.

Die erfindungsgemäße Anlage zum Standardisieren von Milch mit einer genauen Steuerung des Fettgehaltes ist mit einem Sensor zum Erfassen des effektiven Fettgehalts in der Milch sowie mit einer Steuereinheit versehen. Der Sensor ist in einer Milchleitung angeordnet, durch die die Milch nach dem Entrahmen und erneutem Zumischen von Rahm zur Fettgehaltseinstellung strömt. Der Sensor liefert ein dem Feststoffgehalt bzw. dem effektiven Fettgehalt proportionales Ausgangssignal an die Steuereinheit, die diese verarbeitet und zur Steuerung der Anlage bzw. des Verfahrens entsprechenden Steuer- und Regeleinrichtungen zuführt. Die Steuereinheit verarbeitet das von dem Sensor an sie gelieferte, dem Fettgehalt proportionale Signal und fährt mindestens ein für die Steue­ rung bzw. automatische Verfahrensregelung der Anlage verwertbares Signal den entsprechenden Steuer- und Regeleinrichtungen zur genauen Einstellung des Fettgehaltes zu.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Standardisieren von Milch mit Steuerung des Fettgehaltes wird zunächst der effektive Fettgehalt in standardisierter Milch gemessen. Mit diesem Meßwert wird ein dem Fettgehalt proportionales Ausgangssignal erzeugt. Dieses Ausgangssignal wird dann in der Steuereinheit verarbeitet, und daraus wird anschließend ein Signal zum genauen Steuern des Fettgehaltes in standardisierter Milch über mindestens ein steuerbares Ventil für Rahm erzeugt.

Ein wesentlicher Vorteil der Anlage und des Verfahrens gemäß der Erfindung mit dem den effektiven Fettgehalt direkt bestimmenden Sensor ist die sehr genaue Messung und die auf der Basis dieser Messung vorgenommene genaue Zumischung von Rahm zur Magermilch zur Steuerung des Fettgehaltes in standardisierter Milch. Wird zum Beispiel bei einer täglichen Trinkmilchabfüllung von 300.000 l der Fettgehalt um 0,02% dichter an einen standardisierten Fettgehalt des Endproduktes geführt (z. B. 1,5% bei fettarmer Milch), so werden beträchtliche Ein­ sparungen in Höhe von jährlich 95.000,- DM erzielbar.

Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbei­ spiels in Verbindung mit der Zeichnung.

Fig. 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau einer bekannten Vierstrahl-IR- Wechsellicht-Sonde zur Fettgehaltsmessung in standardisierter Milch.

Fig. 2 zeigt den prinzipiellen Aufbau einer mit einem Fettgehaltssensor ausgerüsteten Milchstandardisieranlage.

Der in Fig. 1 gezeigte, auf dem Vierstrahl-IR-Wechsellicht-Meßprinzip basierende Sensor kann zur Bestimmung des Feststoffgehaltes in Fluiden, insbesondere des effektiven Fettgehaltes in Milchflüssigprodukten einge­ setzt werden. Ein derartiger bekannter optoelektronischer Sensor ist so aufgebaut, daß zwei IR-Leuchtdioden (LED) 17, 18 zwei Fotozellen 19, 20 gegenüberliegen. Zwischen den IR-Leuchtdioden 17, 18 und den Fotozellen 19, 20 ist die Standardisiermilchleitung 21 hindurchgeführt. Die zwei IR-Leuchtdioden (LED) 17, 18 und die Fotozellen 19, 20 sind in einem Sensorkörper 16 fest eingegossen. Jede der beiden IR-Leucht­ dioden 17, 18 emittiert Licht, das jeweils von jeder Fotozelle 19, 20 empfangen wird. Da die Intensität des die zu vermessende Flüssigkeit durchdringenden Lichtes von der Höhe des Feststoffgehaltes, d. h. des Fettgehaltes bei Milch, beeinflußt wird, ist bei entsprechender Kalibrie­ rung das von den Fotozellen 19, 20 empfangene Lichtsignal proportional dem Feststoffgehalt und kann als Ausgangssignal an eine Steuereinheit 10 geliefert werden, wobei die IR-Leuchtdioden 17, 18 von dieser Steuer­ einheit 10 abwechselnd ein- und ausgeschaltet werden, während die Fotozellen 19, 20 das durch die Milch gesandte Licht auffangen.

Durch Bildung des Verhältnisses der von den Fotozellen 19, 20 ermittel­ ten Meßwerte mittels entsprechender elektronischer Einrichtungen kann ein derartiger Sensor Verschmutzung und Alterung der Komponenten automatisch kompensieren. Die Signale der Fotozellen 19, 20 werden von der Steuereinheit 10 verarbeitet, linearisiert und in ein dem Fettgehalt proportionales Ausgangssignal gewandelt. Die Einrichtung zur automati­ schen Kompensation von Verschmutzung und Alterung kann sowohl in die Meßsonde selbst als auch in die Steuereinheit 10 integriert sein. Vorzugsweise arbeiten die IR-Leuchtdioden 17, 18 unter Verwendung von Licht im nahen Intrarotbereich, weil das Meßsignale liefert, die von Farbänderungen und gelösten Stoffen praktisch nicht beeinflußt werden. Nimmt man eine Messung der Intensität des auf die Fotozellen 19, 20 einfallenden Lichtes bei abgeschalteten IR-Leuchtdioden 17, 18, so er­ laubt dieser Meßwert die Subtraktion des von der Umgebung einfallen­ den Lichtes vom Meßwert, und es kann ein effektiver Fettgehalt be­ stimmt werden.

Die Hauptkomponenten des mit Fremdlicht- und Verschmutzungskom­ pensation arbeitenden Sensors, d. h. die IR-Leuchtdioden 17, 18 und die Fotozellen 19, 20, sind vorzugsweise in einem integralen glasfaserver­ stärkten Epoxidgußharz-Sensorkörper 16 fest untergebracht.

Für die Anlage gemäß Fig. 2 wird vorzugsweise ein Sensor mit einem Meßbereich von 0 bis 4,5% Fett für Mager- bis Vollmilch und im Bereich von 5 bis 40% Fett für Rahm eingesetzt.

Die Einstellung und Kalibrierung des Sensors in der Anlage nach Fig. 2 werden durch Anwahl voreingestellter oder durch den Anwender pro­ grammierbare Daten über ein Menü durchgeführt, das Bestandteil der Software der Steuereinrichtung ist. Nach Eingabe von entsprechenden Labordaten wird in Verbindung mit der Steuereinrichtung 10 intern ein Linearisationsalgorithmus ausgeführt, der die Basis einer genauen Mes­ sung gewährleistet. Es brauchen keine weiteren Berechnungen oder Regressionen im bestehenden Regelsystem des Verfahrens durchgeführt zu werden, so daß zusätzliche Einrichtungen entfallen können.

In der Anlage gemäß Fig. 2 kann der Sensor sowohl fest als auch demontierbar an gewünschten Orten eines Leitungssystems eingebaut werden. Der Fettgehaltssensor kann vorzugsweise mit weiteren optischen Meldern versehen werden, mit denen Alarmzustände wie z. B. Konzen­ trations-Hoch/Tiefalarm, Überschreiten der Bereichsgrenze, Sondenver­ schmutzung bzw. Notwendigkeit einer Sondenreinigung usw. ermittelt und im Rahmen der Anlage signalisiert werden. Diese Echtzeit-Prozeßmessung kann durch Anschluß des Ausgabesignals und der betreffenden Relaiskon­ takte für Alarmzustande in die automatische Verfahrensregelung integriert werden.

Sämtliche Systemeinstellungs- und Kalibrierdaten sind null-spannungssicher gespeichert, so daß eine Neueinstellung bzw. Kalibrierung nach einem Spannungsausfall entfallen kann. Der in der Anlage integrierte Fettge­ haltssensor ist in Verbindung mit der Steuereinrichtung 10 so program­ miert, daß er sich nach einem Versorgungsausfall von selbst wieder einschaltet und eine interne Selbstüberprüfung durchführt. Dank der Verwendung eines EPROM-Speichermoduls (nicht gezeigt) können Puffer­ batterien in den meisten Fällen entfallen, was zur Wartungsarmut des Meß- und Steuerteils der Anlage beiträgt.

In der Steuereinrichtung 10 der Anlage gemäß Fig. 2 erfolgt die Ver­ arbeitung der Signale des Fettgehaltssensors so, daß die Konzentrations­ einheiten (Fettgehalt bzw. Feststoffgehalt) in Prozent, g/l, mg/l oder ppm angebbar sind. Die Genauigkeit der effektiven Fettgehaltsmessung des Sensors liegt bei ± 10^-5 g/cm³ und ist damit eine Zehnerpotenz besser als die Dichtesensoren des Standes der Technik. Die Reproduzierbarkeit der Meßergebnisse liegt bei ± 0,5%.

Die in der Anlage eingesetzte(n) Sonde(n) ist (sind) so aufgebaut, daß sie eine erhöhte Temperaturbeständigkeit und Korrosionsbeständigkeit aufweist (aufweisen).

Eine Anlage mit einem derartigen mikroprozessorgesteuerten, zur kon­ tinuierlichen Messung des Feststoffgehaltes in Flüssigkeiten eingesetzten widerstandsfähigen und genauen Sensor weist den Vorteil auf, daß für den den Meßabschnitt der Anlage umfassenden Bereich keine bewegli­ chen Teile vorhanden sind, so daß nur eine minimale Wartung erforder­ lich ist. Durch Wahl unterschiedlicher Sondentypen kann mit der Anlage ein sehr großer Bereich von Feststoffkonzentrationen abgedeckt werden, ist eine Unempfindlichkeit gegenüber einem Einsatz in einer rauhen Umgebung gegeben und kann eine sehr hohe Genauigkeit der Messung des effektiven Fettgehalts gewährleistet werden.

Mit einer Anlage, die mit einem derartigen Sensor ausgerüstet ist, kann somit eine Messung, Überwachung und Regelung des Gehaltes an Fest­ stoffen vorgenommen und in fast allen Verfahren eingesetzt werden, die die Überwachung der Mischung, des Eindickens, des Klärens oder Ab­ setzens suspendierter Feststoffe erfordern.

Der prinzipielle Aufbau einer an sich bekannten Milchstandardisieranlage ist in Fig. 2 unter Einbeziehung eines Sensors zur Bestimmung des effektiven Fettgehalts gezeigt. Bei einer Milchstandardisieranlage wird die Rohmilch durch einen Wärmetauscher 11 und von dort zu einem Separa­ tor 15 gepumpt. Im Separator 15 erfolgt eine Trennung von Magermilch 12 und Rahm 13. Der Rahm 13 wird teilweise von dem System zur Rahmerhitzung oder zu einem Pufferbehälter (nicht gezeigt) abgeführt und teilweise jeweils über entsprechende Ventile 7 zurückgeführt und der vom Separator 15 abgeführten Magermilch 12 in gewünschten Prozentsät­ zen zugemischt. Für eine effektive Mischung des Rahms 13 zu der Magermilch 12 ist ein Mischrohr 3 zur Vermeidung von Meßwertschwan­ kungen vorgesehen. Hinter dem Mischrohr 3 ist ein mit einer Steuer­ einheit 10 verbundener Sensor für die effektive Fettgehaltsbestimmung in der Anlage angeordnet. Dieser Teil der Anlage ist der eigentliche Teil für die standardisierte Milch 14, die über weitere Wärmetauscher (Pa­ steur) 11 vom System schließlich abgeführt wird.

Der eigentliche Standardisiervorgang besteht darin, zunächst den effekti­ ven Fettgehalt möglichst genau zu bestimmen und ihn dann auf einen gewünschten Wert, dem Wert der standardisierten Milch genau einzustel­ len, ohne diesen Wert stark zu übersteigen und keinesfalls zu unter­ schreiten. Dazu ist ein Sensor zum Erfassen des effektiven Fettgehalts in Milch in der Anlage angeordnet, von dem der Meßwert der standar­ disierten Milch an eine Steuereinheit 10, in die eine Verarbeitungseinheit integriert sein kann, übertragen wird. Das vom Sensor gelieferte Signal ist ein dem Fettgehalt proportionales Ausgangssignal und wird in der Steuereinheit 10 verarbeitet, um für die Steuerung bzw. automatische Verfahrensregelung der Anlage ein entsprechendes Signal für Steuer- und Regeleinrichtungen bereitzustellen, auf deren Basis der Fettgehalt einstell­ bar ist. Eine derartige Steuereinheit 10 ist z. B. das Hygieneventil. Ent­ sprechend der Ventilstellung wird gewährleistet, daß die richtige Menge Rahm 13 der Magermilch 12 beigefügt wird, bzw. die richtige Menge Rahm 13 in den Pufferbehälter abfließt. Des weiteren ist stromaufwärts von dem Mischrohr 3 und stromabwärts von dem Sensor zum Erfassen des effektiven Fettgehaltes je ein Konstantdruckventil 1, 9 angeordnet zum Kompensieren eventuell auftretender Druckschwankungen und damit zum Ausschließen von Fehlmessungen. Ein derartiger Sensor zum Erfas­ sen des effektiven Fettgehaltes kann vorzugsweise auch in der Rahmleitung für die Messung des Fettgehaltes des Rahmes 13 angeordnet sein. Natürlich kann ein derartiger Sensor auch in der Rohmilchleitung für eine Messung des Fettgehaltes der Rohmilch angeordnet werden.

Ein wesentlicher Vorteil der Anlage unter Einbeziehung eines Sensors zur Erfassung des effektiven Fettgehaltes besteht darin, daß unter ande­ rem wegen der direkten und kontinuierlichen Messung, die ein derartiger Sensor ermöglicht, die Einfahrzeit der Anlage nach jeder neuen Charge auf ca. 5 min gesenkt wird, gegenüber 20 min bei Anlagen des Standes der Technik.

Da der Sensor in einer geradlinigen Rohrleitung direkt angeordnet werden kann (und nicht wie der in der Einleitung dieser Patentanmel­ dung zitierte Dichtesensor gemaß Anlagen des Standes der Technik, bei dem die Messung im Nebenstrom in einer U-förmig gekrümmten Rohr­ leitung erfolgt), ist für Anlagen gemäß der Erfindung auch ein deutlich geringerer Reinigungsaufwand erforderlich.

Das Verfahren zur Standardisierung von Milch mit Steuerung des Fett­ gehaltes basiert darauf, daß mittels eines optoelektronischen Sensors die Fettgehaltsmessung in standardisierter Milch ausgeführt wird, wobei das Verfahren die Schritte a) Messen des effektiven Fettgehaltes in standardi­ sierter Milch; b) Erzeugen eines dem Fettgehalt proportionalen Ausgangs­ signals; c) Verarbeiten des dem Fettgehalt proportionalen Ausgangssignals in einer Steuereinheit und Bereitstellen eines entsprechenden Signals zum d) Steuern des Fettgehaltes in standardisierter Milch über mindestens ein steuerbares Ventil 7 für Rahm 13 und/oder mindestens ein steuerbares Ventil (Hygieneventil) für Magermilch 12 einschließt, der Rahm 13 zugemischt wird, um einen gewünschten Fettgehalt einzustellen.

Des weiteren kann zur Elimination des Einflusses von Umgebungslicht der effektive Fettgehalt bei ausgeschalteten IR-Leuchtdioden 17, 18 vorgenommen werden, damit der Umgebungslichteinfluß vom Meßwert abgezogen werden kann und ein effektiver Fettgehalt bestimmt werden kann. Darüberhinaus kann das kontinuierlich erfolgende Meßverfahren für die Erfassung des effektiven Fettgehaltes in vorzugsweise standardisierter Milch das Anzeigen von Alarmzuständen sowie deren Integrieren in die automatische Verfahrensregelung beinhalten. Automatisch angezeigte Alarmzustände sind z. B. Konzentrations-Hoch/Tiefalarm, Überschreiten der Bereichsgrenze, Überschreiten eines zulässigen Wertes der Sondenver­ schmutzung usw.

Das erläuterte Verfahren erlaubt in Verbindung mit der Anlage zur Standardisierung von Milch unter Verwendung eines Sensors zur Erfas­ sung des effektiven Fettgehaltes in standardisierter Milch eine sehr hohe Standardisiergenauigkeit von ± 0,02% Fett in der standardisierten Milch bereits nach einem Einfahrvorgang von 5 min.

Claims (10)

1. Anlage zum Standardisieren von Milch unter Steuerung des Fett­ gehaltes, dadurch gekennzeichnet, daß
ein Sensor zum Erfassen des effektiven Fettgehaltes der Milch in einer Milchleitung (21), durch welche die Milch nach dem Entrah­ men strömt,
sowie eine Steuereinheit (10) vorgesehen sind, die von dem Sensor ein dem Fettgehalt proportionales Ausgangssignal zur Verarbeitung in mindestens ein für die Steuerung bzw. automatische Verfahrens­ regelung der Anlage verwertbares Signal erhält, auf dessen Basis der Fettgehalt genau einstellbar ist.

2. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Sensor für die Messung des Fettgehaltes in standardisierter Milch in der Milchleitung (21) stromab eines Mischrohres (3) zum Zumischen von Rahm (13) zu der entrahmten Magermilch vorgesehen ist.

3. Anlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich ein Sensor für die Messung des Fettgehaltes des Rahms (13) in der Rahmleitung angeordnet ist.

4. Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor eine Vierstrahl-IR-Wechsellicht-Sonde ist, wobei in einem Sensorkörper (16) mindestens je zwei Lichtemittoren (17, 18) und Lichtempfänger (19, 20) angeordnet sind, zwischen den Lichte­ mittoren einerseits und den Lichtempfängern andererseits das Fluid strömt und die Lichtemittoren (17, 18) von einer Steuereinheit (10) abwechselnd ein- und ausschaltbar sind, während die Lichtempfänger (19, 20) das durch das Fluid gesandte Licht auffangen und ein dem Feststoffgehalt proportionales Ausgangssignal an die Steuereinheit (10) liefern.

5. Anlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor bezüglich der Breite des Meßbereiches für den Fettgehalt anpaßbar ist und daß der Sensor für standardisierte Milch auf einen Fett­ gehaltsbereich von 0 bis 4,5% und für Rahm auf einen Fettgehalts­ bereich von 5 bis 40% ausgelegt ist.

6. Verfahren zum Standardisieren von Milch unter Steuerung ihres Fett­ gehaltes, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:
es wird der effektive Fettgehalt von standardisierter Milch gemessen,
es wird ein dem Fettgehalt proportionales Ausgangssignal erzeugt,
dieses Ausgangssignal wird in einer Steuereinheit verarbeitet und aus ihm ein weiteres Signals zum Steuern des Fettgehaltes der standardi­ sierten Milch über mindestens ein steuerbares Ventil für Rahm erzeugt.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Mes­ sen des effektiven Fettgehaltes in standardisierter Milch mit einem Lichtemittoren und Lichtempfängern umfassenden Sensor erfolgt, dessen Meßbereich von 0 bis 4,5% ist.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich der effektive Fettgehalt bei ausgeschalteten Lichtemittoren des Sen­ sors zur Subtraktion des Umgebungslichteinflusses vom Meßwert gemessen wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeich­ net, daß das Messen des effektiven Fettgehaltes kontinuierlich er­ folgt.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeich­ net, daß Alarmzustände wie Konzentrations-Hoch/Tiefalarm, bei überschreiten der Bereichsgrenze, bei Sondenverschmutzung angezeigt und in die automatische Verfahrensregelung integriert werden.