Käseverarbeiter optimiert Vakuumversorgung für Verpackungslinien

Wenn man online nach ‚effizienter Vakuumpumpe‘ sucht, landet man schnell bei Atlas Copco“, berichtet Thomas Müller-Siepelmeyer. Der IT-Standortadministrator, Projektleiter und Assistent des Energiebeauftragten bei der DMK Deutsches Milchkontor GmbH in Altentreptow machte diese Erfahrung, als er im Herbst 2015 nach Lösungen für eine zeitgemäße und energieeffiziente Vakuumversorgung für die fünf Schnittkäse-Verpackungslinien am Standort suchte.

Hier, in einer sehr beschaulichen Ecke Mecklenburg-Vorpommerns, betreibt die DMK Deutsches Milchkontor GmbH seit 1995 eine ihrer Käsereien. Das Tochterunternehmen Euro Cheese schneidet die fertig gereiften Käselaibe auf, verpackt die Scheiben luftdicht in Hartfolie und macht die Packungen zuletzt versandfertig. Ebenfalls am Standort befindet sich ein Molkeveredler; das Unternehmen veredelt und trocknet die bei der Käseherstellung entstehende Molke.

„Mit 183 Mitarbeitern portionieren und verpacken wir hier rund 50000 Tonnen sortenreinen und gemischten Käseaufschnitt pro Jahr“, umreißt Holger Lewerenz, Betriebsleiter bei Euro Cheese, die Produktionsmenge. „Das sind täglich 200 Tonnen oder zehn Lkw-Ladungen.“ Insgesamt sind fünf Verpackungslinien in drei Schichten an fünf Tagen in Betrieb. Verarbeitet werden nicht allein die in Altentreptow produzierten Käsesorten, wie beispielsweise Gouda, Edamer oder Butterkäse, sondern auch Erzeugnisse aus anderen DMK-Betrieben, die sich unter anderem auf die Herstellung von Tilsiter oder Emmentaler spezialisiert haben.

Um die Käsescheiben zu verpacken, benötigt Euro Cheese mehrere getrennte Vakuumnetze. Mit einem Hilfsvakuum von rund 250 mbar absolut wird die Verpackungsfolie in Form gebracht. Diese kommt auf der Rolle nach Altentreptow und durchläuft dann einen thermischen Umformprozess, an dessen Ende Hartboxen der gewünschten Größe stehen. In einem zweistufigen Prozess werden die Verpackungen dann zunächst auf 65 mbar absolut und nachfolgend auf einen Enddruck von 3 mbar absolut – das sogenannte Feinvakuum – evakuiert und die Käsescheiben auf diese Weise haltbar gemacht. Die zweistufige Evakuierung mit unterschiedlichen Vakuumnetzen sorgt für kürzere Zykluszeiten und somit für einen höheren Produktdurchsatz.

Energiemanagement deckt Einsparpotenziale auf

Dass dieser Verpackungsprozess überdurchschnittlich viel Energie beanspruchte, fand das Team um Thomas Müller-Siepelmeyer heraus, als es die entsprechende Prozesskennzahl genauer unter die Lupe nahm. „Im Rahmen unseres Energiemanagements gemäß ISO 50001 führen wir regelmäßig Teamgespräche und bewerten dann unter anderem unsere Kennzahlen“, berichtet der Projektleiter. „In diesem Fall haben wir uns den Stromverbrauch unserer Vakuumanlage im Verhältnis zur produzierten Menge angesehen. Neun Kilowattstunden pro produzierte Tonne erschienen uns sehr hoch, ebenso der Gesamtverbrauch von monatlich 40000 Kilowattstunden.“ Man sei dann schnell zu der Überzeugung gelangt, dass die Vakuumversorgung nicht mehr dem Stand der Technik entspreche und der Energieverbrauch der bis dahin genutzten Drehschieberpumpen, gemessen an der produzierten Menge, zu hoch sei.

Es folgte die oben erwähnte Internet-Recherche, bei der Müller-Siepelmeyer auf die drehzahlgeregelten Schraubenvakuumpumpen aus der GHS-VSD+-Reihe von Atlas Copco stieß. Technologisch und vom Design her lehnen sich die Vakuumpumpen an die Kompressoren des Herstellers an, bieten also anschlussfertige Komplettsysteme in einem Gehäuse mit geringer Stellfläche. Man traf sich zu einem Beratungsgespräch und beschloss wenig später den provisorischen Einbau einer GHS-Testpumpe ins Hilfsvakuum-Netz. „Das Ergebnis des Testbetriebs hat uns überzeugt“, erklärt Müller-Siepelmeyer. „Es hat sich da bereits angedeutet, dass der Umbau einiges an Einsparungen mit sich bringen würde und wir mit einer Amortisationszeit von unter drei Jahren rechnen können.“ Darüber hinaus habe die Testpumpe sehr dabei geholfen, eine Aussage zum benötigten Saugvolumenstrom zu machen und anschließend die neue Station zu planen. „Diesen Service hat uns keiner der sonst noch angefragten Hersteller angeboten“, lobt der Projektleiter. „Wir hatten mehrere Firmen mit ihren Angeboten hier, aber die Verhandlungen haben wir letztlich nur mit Atlas Copco geführt.“

Umbau bei laufender Produktion in zwei Schritten

Die Vakuumstation wurde in zwei Schritten bei laufender Produktion umgebaut. Ende 2016 modernisierte das Projektteam, bestehend aus Burkhard Rüsing, Teamleiter Instandhaltung bei Euro Cheese, Sven Ruholl, Instandhalter bei Euro Cheese, und Thomas Müller-Siepelmeyer zunächst die Hilfsvakuum-Versorgung und brachte die Belüftung in der Station auf den neuesten Stand. Anfang 2017 folgte das Feinvakuum. „Wir haben zuerst das Hilfsvakuum erneuert, denn die neuen Maschinen waren hier am einfachsten einzubinden“, erläutert Müller-Siepelmeyer die Vorgehensweise. „Außerdem konnten wir durch den Austausch von sechs alten Drehschieberpumpen mit einem Saugvolumenstrom von je 300 Kubikmetern pro Stunde gegen drei drehzahlgeregelte GHS-730-VSD+-Schrauben von Atlas Copco mit einem Saugvolumenstrom von je 730 Kubikmetern pro Stunde Platz für die neue Station schaffen.“

Inzwischen reichen sogar zwei der neuen Pumpen für die Erzeugung des benötigten Saugvolumenstroms im Hilfsvakuum, denn parallel zum Umbau der Station wurde der Druck von unter 100 mbar absolut auf 250 mbar absolut heraufgesetzt. Durch diese Druckerhöhung ist der benötigte Saugvolumenstrom von 1350 m³/h auf 400 m³/h gesunken. „Heute erzeugen wir das Hilfsvakuum praktisch mit einer ‚halben Schraube‘“, erläutert Müller-Siepelmeyer. „Die andere GHS steht jeweils als Redundanz zur Verfügung.“ Durch die Druckerhöhung habe man einen großen Teil der Energieeinsparungen erreicht. „Wir haben geprüft, welchen Druck wir an den Maschinen benötigen“, sagt der Projektleiter. „Dann haben wir im zweiten Schritt die Druckschaltpunkte an den Maschinen für das Hilfsvakuum geändert, denn wir wollten nicht einfach nur die Pumpen tauschen, sondern noch ein bisschen mehr aus der Anlage herausholen.“

Die dritte GHS 730 VSD+ aus dem ersten Sanierungsabschnitt arbeitet inzwischen mit zwei weiteren Pumpen des gleichen Typs im Vorvakuum, einer Vorstufe des Feinvakuums für den Evakuierungsprozess. Auch hier wurden insgesamt sechs Drehschieberpumpen mit jeweils 300 m³/h Saugleistung ersetzt. Zwei Schraubenvakuumpumpen sind jeweils dauerhaft in Betrieb und werden in Spitzenlastzeiten von einer der Bestandspumpen ergänzt. Die dritte Schraubenvakuumpumpe steht als Redundanz zur Verfügung. Die GHS-Pumpen erzeugen einen Druck von 105 mbar absolut, das sogenannte Vorvakuum. Zwei parallel geschaltete Wälzkolbenvakuumpumpen aus dem Bestand, die im Rahmen des Projektes mit Frequenzumrichtern modernisiert wurden, reduzieren den Druck dann sollwertgeführt auf etwa 65 mbar absolut. Hier spricht man vom Grobvakuum. Zwei weitere in Reihe geschaltete Wälzkolbenvakuumpumpen liefern schließlich den benötigten Verpackungsenddruck von rund 3 mbar absolut.

„Der Massestrom ist dabei immer konstant, das heißt, die Anzahl der Gasmoleküle, die ich pro Zeiteinheit bewege, ist vom Feinvakuum bis zum Abgasstrahl der Schraubenvakuumpumpen gleich“, erläutert Wolfgang Holtapel, Technischer Berater für Vakuumtechnik bei Atlas Copco und verantwortlich für das Projekt bei der Euro Cheese Vertriebs GmbH. „Aber der Volumenstrom ändert sich und wird mit dem zunehmenden Druck zwischen Fein- und Vorvakuum kleiner.“ Der Saugvolumenstrom im Vorvakuum liegt heute im Schnitt bei 1300 m³/h bei einem Druck von 105 mbar absolut. Die alte Vakuumstation erzeugte im Vorvakuum einen Saugvolumenstrom von 1800 m³/h bei etwa 80 mbar absolut.

Die GHS-Vakuumpumpen besitzen eine integrierte Steuerung, die eine autarke Arbeitsweise erlaubt. Das Zusammenspiel der Pumpen im Hilfs- und Vorvakuum wird jeweils von einer ES6V-Steuerung von Atlas Copco koordiniert. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass die Maschinen immer an ihrem optimalen Betriebspunkt laufen.

Übergeordnete Steuerung visualisiert gesamte Vakuumzentrale

Die beiden ES6V-Steuerungen sind wiederum in eine übergeordnete Steuerung eingebunden, über die unter anderem die gesamte Vakuumzentrale visualisiert wird. Eventuelle Störungen werden automatisch ans Betriebsleitsystem gemeldet. „Für unser Energiemanagement haben wir die Zustände der Anlage und die jeweiligen Drücke außerdem in unser Energieportal eingebunden“, berichtet Müller-Siepelmeyer. „Darüber ermitteln wir dann wöchentlich die Verbräuche. Außerdem können wir den Energieverbrauch zur produzierten Menge ins Verhältnis setzen. Dafür werden uns die Produktionsdaten zugespielt.“

Stromverbrauch von 40000 kWh auf 13000 kWh pro Monat gesunken

Mit der Installation der neuen Vakuumanlage ist der Stromverbrauch von monatlich 40000 kWh auf unter 13000 kWh deutlich gesunken. Die Leistungsaufnahme der Pumpen ging von rund 78 kW auf etwa 27 kW zurück. „Wir sparen also etwa 60 Prozent Energie“, erklärt Müller-Siepelmeyer. Der starke Rückgang folge zum einen aus der Anpassung der Drücke: „Wir haben hinterfragt, wie groß das Hilfsvakuum tatsächlich für unsere Produktionsanlagen sein muss, denn auch dort wurden in den letzten Jahren Änderungen durchgeführt.“ Es habe sich herausgestellt, dass der Druck auf mehr als das Doppelte erhöht werden konnte beziehungsweise ein „schwächeres“ Vakuum genügte. Die restlichen Einsparungen, so Müller-Siepelmeyer, resultierten aus den effizienten, drehzahlgeregelten Pumpen.

Amortisierungszeit liegt bei unter drei Jahren

Für das Energiemanagementsystem hat der Energiebeauftragte, Thomas Bohl, gemeinsam mit Müller-Siepelmeyer eine Nachbetrachtung über beide Vakuumprojekte erstellt. Diese bezieht sich sowohl auf die Pumpen als auch auf die Belüftung des Pumpenraumes. „Demnach sparen wir pro Jahr über 370000 Kilowattstunden an Strom ein, das entspricht mehr als 48.000 Euro“, rechnet der Projektleiter. „An den Einsparungen ist die Belüftung mit 44000 Kilowattstunden beteiligt – also nur zu einem kleineren Teil. Die Amortisationszeit liegt für beide Projekte bei zwei Jahren und acht Monaten.“

„Die hohen Energieeinsparungen wurden durch den Austausch der Drehschieberpumpen gegen drehzahlregelte Schraubenvakuumpumpen möglich“, fasst Wolfgang Holtapel zusammen. „Drehschieberpumpen neigen bei höheren Drücken zu einem hohen Ölübertrag in den Abgasstrahl der Pumpe. Durch die erhöhte Kompressionsleistung werden Motor und Öl stark belastet.“ Zudem werde immer ein Sicherheitsabstand zum maximal zulässigen prozessbedingten Druck gebraucht. „Mit den neuen drehzahlgeregelten Schraubenvakuumpumpen von Atlas Copco lassen sich Drücke exakt einstellen und kurz unterhalb des zulässigen Maximaldrucks festlegen. Dadurch können die benötigten Saugvolumenströme und analog dazu die Leistungsaufnahme der Pumpe extrem reduziert werden.“

Weitere Effizienzsteigerungen bei der Endverpackung geplant

Die effiziente Arbeitsweise der neuen Vakuumstation will man sich demnächst noch in einem weiteren Unternehmensbereich zu Nutze machen. Ab 2018 sollen die Pick-and-Place-Anwendungen in der Endverpackung ebenfalls ins Hilfsvakuum eigebunden werden. Der Instandhalter Sven Ruholl hat dort bereits Messungen durchgeführt, die recht hohe Einsparungen versprechen. „Wenn wir das Projekt umsetzen, benötigen wir eventuell eine weitere Schraubenvakuumpumpe“, blickt Müller-Siepelmeyer in die Zukunft. „Alternativ könnte auch eine frequenzgeregelte Klauenpumpe von Atlas Copco eingesetzt werden“, ergänzt Wolfgang Holtapel, „denn es ist noch nicht ganz klar, welches Druckniveau benötigt wird. Unter 400 mbar absolut ist die Schraube die bessere Variante, über 400 mbar absolut ist es die Klauenpumpe. Das gilt es herauszufinden.“

Bild: Insgesamt fünf drehzahlgeregelte GHS-730-VSD+-Schraubenvakuumpumpen von Atlas Copco mit einem Saugvolumenstrom von je 730 m³/h erzeugen das benötigte Hilfsvakuum von 250 mbar (absolut) sowie das Vorvakuum von 105 mbar (absolut) für Verpackungslinien in Altentreptow (zwei GHS-Pumpen sind nicht im Bild). (Foto: Atlas Copco)