PepsiCo: Wirtschaftliche Produktwasser-Aufbereitung

Im PepsiCo-Werk Rodgau wurde die Ionenaustauschertechnik zur Produktwasseraufbereitung durch ein modernes und sicheres Verfahren aus Umkehrosmose und Aktivkohlefiltration ersetzt. Das neue System erfüllt die gestiegenen internen Design-, Hygiene- und Qualitätsstandards von PepsiCo und ermöglicht einen vollautomatisierten Betrieb.

Kunde

PepsiCo Deutschland

PepsiCo bietet die weltweit größte Produktpalette von Nahrungsmittel- und Getränkemarken mit Milliardenumsatz. Die PepsiCo Deutschland GmbH mit drei Standorten in Deutschland wurde 1952 gegründet und produziert Getränke- und Snack-Marken wie Pepsi, Schwip Schwap, Lipton oder Lays.

Anforderungen

Ausschlaggebend für die Investition in eine neue Wasseraufbereitung war die zu geringe Kapazität der existierenden Anlage sowie die nicht mehr den Anforderungen des Betriebes entsprechende Verfahrenstechnik. Für die Herstellung von PepsiCo-Produkten gelten weltweit die gleichen, strengen Qualitätsstandards.

Für PepsiCo war es sehr wichtig, in eine Technologie zu investieren, die sich nachhaltig positiv auf die Umwelt auswirkt. Kriterien wie Energieeffizienz und Ressourcenschonung fanden den gleichen Stellenwert wie die rein betriebswirtschaftlichen Zielen.

Zugelassene Verfahren

Eine werksinterne Wasseraufbereitung ist zwingend erforderlich, unabhängig davon ob es sich bei dem verwendeten Rohwasser um Wasser aus eigenen Brunnen oder um Stadtwasser wie im Werk Rodgau/Nieder Roden handelt. Nur durch die hauseigene Wasseraufbereitung kann garantiert werden, dass sich das verwendete Produktwasser positiv auf die Zusammensetzung und die Sensorik der Produkte auswirkt. Die von PepsiCo zugelassenen Verfahren sind im Einzelfall an die Zusammensetzung des jeweiligen Rohwassers angepasst und enthalten immer mehrere Desinfektionsschritte, sowie eine optionale Härtereduktion.

Bisherige Wasseraufbereitungsanlage

In der bisherigen Wasseraufbereitungsanlage wurde die Härtereduktion durch vier parallel geschaltete Ionenaustauscher realisiert. Schwachpunkte dieser Technologie waren Schwankungen in der Zusammensetzung des Produktwassers, welche nicht beeinflusst werden konnten und somit, wenn auch nur in geringem Maße, die Produktzusammensetzung beeinflussten. Diese Einflussfaktoren galt es bei der Ersatzinvestition auszuschließen.

Lösung

Produktwassertank mit Pumpentechnik
Produktwassertank mit Pumpentechnik

Der Getränkewasser-Aufbereitungsprozess ist gegliedert in die Rohwasservorbehandlung, einschließlich einer Membranfiltration und die Produktwasser-Endbehandlung.

Gemäß der internen Bedarfsanalyse von PepsiCo wurde für die Vorbehandlung eine minimale, kontinuierliche, hydraulische Aufbereitungsleistung von 150 m3/h ermittelt. Ziel: Wasser für Produktion und Reinigung. Um betriebsbedingte höhere hydraulische Abnahmen bedienen zu können, wurde die Anlage für eine Spitzenabnahme von 180 m3/h, in der Endbehandlungsstufe ausgelegt. Das zur Verfügung stehende Rohwasser wird dem Stadtwassernetz der Stadt Rodgau/Nieder Roden entnommen und entspricht der Trinkwasserverordnung.

Kombination aus Umkehrosmose-und Nanofiltrations-Membran
Kombination aus Umkehrosmose- und Nanofiltrationsmembran

Um der Forderung nach konstanter Produktwasserqualität nachzukommen, wurde die Wasseraufbereitungsanlage mit einer mehrstufigen Membrananlage ausgestattet und nach „Multiple Barriere"-Gesichtspunkten aufgebaut. Durch dieses Design kann eine sehr hohe Produktsicherheit gewährleistet werden. Weiterhin wurden Verfahrensstufen in das System eingebunden, die jeweils nach unterschiedlichen chemischen und physikalischen Prinzipien eine effektive Kontrolle von Verunreinigungen, Salzen und Keimen erlauben. Die Kernbestandteile des Aufbereitungsverfahrens sind eine mehrstufige Feinfiltration, eine zwischengeschaltete Konditionierungsstufe mit nachfolgender, konzentratgestufter Membrananlage sowie eine Desinfektion.

Aktivkohlefiltration
Aktivkohlefiltration

Der ersten Desinfektionsstufe ist eine Aktivkohlefiltration nachgeschaltet. Abschließend wird das Produktwasser mit Hilfe einer UV-Desinfektion ein weiteres Mal desinfiziert bevor es nach einer abschließenden Feinfiltration (1 μm absolut) als Produktbestandteil verwendet wird.

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Gesteigerte Systemausbeute & optimierte Reinigung

Zur Reinigung von Rohrleitungsabschnitten und Komponenten wurde die Anlage über Panele an ein CIP-System angeschlossen. Um eine maximale Produktverfügbarkeit erreichen zu können, wurde die neue Wasseraufbereitung konsequent in zwei unabhängig voneinander arbeitende Systeme geteilt. Durch diese Anlagenausführung wurde der Forderung nach hoher Flexibilität und Verfügbarkeit Rechnung getragen. Durch eine in das Membransystem integrierte Konzentratstufe konnte die im Aufbereitungsprozess anfallende Abwassermenge um ca. 50 Prozent und somit die Systemausbeute auf > 91 Prozent maximiert werden. Hierdurch wird der Frischwasserverbrauch und Abwasseranfall minimiert und somit ein entscheidender Betriebskostenfaktor minimiert.

Da die Konzentratstufe hinsichtlich der Übersättigung und Konzentration von Wasserinhaltsstoffen in einem wesentlich kritischeren Bereich betrieben wird als die Hauptanlage und demzufolge auch engere Reinigungsintervalle zu erwarten sind, wurde die Konzentratstufe autark konzipiert. Somit kann diese gereinigt werden, ohne dass der Hauptproduktionsprozess beeinflusst wird.

Geregelte Produktwasserqualität

Der Forderung die Karbonathärte in einer definierten Bandbreite regeln zu können, stand der Einsatz einer nicht selektiven Umkehrosmose-Membran gegenüber. Um dennoch die Karbonathärte des Produktwassers in der gewünschten Bandbreite liefern zu können, wurde die Anlage mit einer Kombination aus einer Umkehrosmose- und einer Nanofiltrations-Membran bestückt. Die hinsichtlich der Karbonathärte durchlässigere Nanofiltrations-Membran wurde dabei in der zweiten Anlagenstufe eingesetzt. Durch eine geeignete und automatische Regelung der Permeatleistung zwischen den beiden Stufen, kann im Mischpermeat die gewünschte Bandbreite der Produktwasser-Karbonathärte und ein Restsalzgehalt sicher eingestellt werden.

Qualitätssichernde Produktwasser-Endbehandlung

Nach dem der Membrananlage folgenden Desinfektionschritt, wird das Produktwasser mit einer frequenzgeregelten Produktwasser-Pumpstation den Aktivkohlefiltern zugeführt. Im Anschluss folgt ein weiterer Desinfektionsschritt sowie eine Absolutfiltration (1 μm). Diese Schritte stellen eine abschließende qualitätsichernde Maßnahme dar. Nach einer abschließenden Onlinekontrolle relevanter Qualitätsparameter wird das Produktwasser dem Betrieb zu Produktionszwecken zur Verfügung gestellt.

Qualitätsorientierte Anlagensteuerung & Überwachung

Die Elektrische Ausrüstung der Wasseraufbereitungsanlage ist entsprechend der Grafik ausgeführt. Als Mensch-Maschine-Schnittstelle dient ein Siemens PC 677 Touch Screen und eine Siemens PC-Station. Die Visualisierung ermöglicht die Bedienung und das Beobachten der gesamten Wasseraufbereitungsanlage mit schematischer Darstellung aller Anlagenkomponenten und der detaillierten Darstellung und Steuerung im Automatik- und Handbetrieb. Alle Sollwerte können über die Bedienoberfläche komfortabel eingestellt werden. Die Istwertdarstellung ermöglicht dem Bediener eine schnelle Übersicht über den Betriebszustand der Anlage und eine sichere Prozesssteuerung.

Über Trendkurven können alle qualitäts- und betriebsrelevanten Prozessdaten im zeitlichen Ablauf dargestellt und archiviert werden. Weiterhin werden dem übergeordneten Leitsystem alle relevanten Prozessdaten zur Darstellung und Auswertung via Ethernet, eine kabelgebundene Datennetztechnik für lokale Datennetze, zur Verfügung gestellt.

Umsetzung

Die Aufgabe bestand darin, die neue Anlage in ein bestehendes Anlagenkonzept zu integrieren ohne den Produktionsablauf zu unterbrechen oder Stillstandzeiten einzuplanen. Aufgrund der sehr hohen Produktionsleistung bzw. Volumenströme und der ausgedehnten Arbeitszeiten (fünf bis sechs Tage/Woche bei 24 Stunden/Tag) konnte die Integration und der Anschluss an die Abnehmer nur in sehr enger Kooperation zwischen Auftraggeber und Auftragnehmer realisiert werden.

Bevor die neue Wasseraufbereitung die Funktionen der vorhandenen Anlage ersetzen konnte, wurden in einem aufwendigen Programm die Anlagenteile schrittweise in Betrieb genommen, intensiv getestet und ersetzten schließlich die bestehende Wasseraufbereitung. Bei der Integration der neuen Anlage durfte es dabei zu keiner Produktionsunterbrechung kommen. Deshalb wurde nach Fertigstellung der neuen Aufbereitung das erste aufbereitete Wasser vom zentralen PepsiCo-Labor auf alle angeforderten Spezifikationen hin getestetund als geeignet befunden. Durch die Freigabe und laufenden Probenahmen konnte der hohe Standard aus dem Hause PepsiCo während der gesamten Umstellung auf die neue Anlage gewährleistet werden.

Die alte und die neue Wasseraufbereitung wurden zunächst in Reihe geschaltet, um die notwendige Betriebssicherheit der neuen Anlage zu garantieren. Für die schrittweise Integration der neuen Anlage waren zahlreiche verrohrungs- und steuerungstechnische Sondermaßnahmen notwendig um in der Inbetriebnahmephase die Versorgung durch beide Anlagen zu ermöglichen. Erst als die gestellten Anforderungen an Produktwasserqualität und Anlagenbetrieb vollständig und reproduzierbar erfüllt wurden, konnte die neue Wasseraufbereitung den regulären Betrieb aufnehmen.

Vorteile

Eine hohe Produktivität und Verfügbarkeit, sensorische Anforderungen an das Produkt sowie geringe Betriebskosten waren weitere wichtige Kriterien in der Planungsphase. Besondere Anforderungen wurden an die automatisierte Regelung relevanter, die Produktqualität beeinflussender Wasserinhaltsstoffe gestellt. Insbesondere betraf das die Karbonathärte, welche in einer engen und spezifizierten Bandbreite regelbar sein sollte. 

Resultierend führte dies zu einem Anlagendesign nach dem „Multiple Barriere Prinzip", welches als zentrales Verfahren auf einer Umkehrosmoseanlage basiert. Im Bereich der Produktwasserdesinfektion wurde auf eine für PepsiCo Deutschland neue Anwendung gesetzt. Damit zeigt das Werk in Rodgau als erster PepsiCo-Betrieb neue Wege in der Desinfektion auf und leistet damit Pionierarbeit. Schlussendlich musste die Umsetzung des Gesamtkonzepts im laufenden Betrieb durchgeführt werden. Die Realisierung verlief dabei ohne signifikante Unterbrechungen des Produktionsprozesses

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