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ttz Bremerhaven – Umweltinstitut- An der Karlstadt 6 - D-27568 Bremerhaven – www.ttz-bremerhaven.deKontakt: Miguel Ángel Prieto Arranz – Project Manager Tel: (+49) 471 9448 774 - Fax: (+49) 471 9448 722 - [email protected]

Grundlagen und Anwendungen von Ozon Grundlagen und Anwendungen von Ozon

zur Reinigung und Desinfektion in der zur Reinigung und Desinfektion in der

Lebensmittelindustrie Lebensmittelindustrie -- OZONECIPOZONECIP

Zweiter Bremerhavener Workshop: Anwendung von Ozon in der Lebensmittelindustrie

Bremerhaven 07.11.2007

Miguel Ángel Prieto Arranz


1. Profil ttz Bremerhaven

2. Reinigung und Desinfektion in der Lebensmittelindustrie

3. Einsatz von Ozon zur Desinfektion in der

Lebensmittelindustrie

4. Das OZONECIP-Projekt


ttz-Bremerhaven - Profil

Ihre Ideen brauchen ein Zuhause - ttz Bremerhaven

Wir – das Team des ttz Bremerhaven - geben als marktorientierter und unabhängiger Forschungsdienstleister innovativen Ideen ein Zuhause. Für unsere Kunden aus Wirtschaft, Verbänden, Ministerien, Kommunen und internationalen Organisationen betreiben wir an vier Standorten in Bremerhaven angewandte Forschung, Entwicklung und Umsetzung in den Themenfeldern: Lebensmitteltechnologie und Bioverfahrenstechnik, Analytik sowie Wasser-, Energie- und Landschaftsmanagement. Von unseren Dienstleistungen profitieren seit 20 Jahren Kunden in Deutschland, Europa und der Welt.


ttz-Bremerhaven - Mitarbeiter

Chemiker und Biologen

LebensmitteltechnologenChemieingenieureAgraringenieureUmweltingenieureVerfahrenstechniker

MaschinenbauerWirtschaftswissenschaftlertechnikerPraktikanten und Studenten

Mehr als 80 Mitarbeiter, zu überwiedgendemTeil Wissenschaftler und Ingenieure:


Neue Produkte

&

innovative Verfahren

Convenience Products

Lebensmittel-sicherheit

und Analytik

nachhaltige Nutzungnatürlicher Rohstoffe

Enzym-technologie

neueInhaltsstoffe

ttz-Bremerhaven - Tätigkeitsschwerpunkte

Wasserauf-bereitung

Wertstoff-rückgewinnung

Biomasse

effizienteEnergienutzung,

erneuerbareEnergien

Raumluftanalytik


Beispiel: GREENERGYCOLLECTIVE RESEARCH Projekt gefördert durch die EU im 6. Forschungsrahmenprogramm, (COLL-CT-2005-012566)

GREENERGY – Energetische Optimierung

europäischer Gewächshäuser

Zielsetzung:

• Verringerung des Energiebedarfs in Gewäschhäusern um 20 - 40 % durch einfache Maßnahmen.

� Erhöhung der Wettbewerbsfähigkeit kleiner und mittelständischer Gewächshausbetreiber (Verringerung der Produktionskosten um 20 – 30 %).

� Verringerung von CO2-Emissionen (Kyoto-Protokoll)

� Einführung moderner Konzepte für Produktion und Organisation wie Standardisierungen oder Benchmarkingin Gewächshäusern mit dem Ziel einer weiteren Reduktion der Produktionskosten um 10 – 20 %

� Imageverbesserung der Produktion in Gewächshäusern0

20

40

60

80

100

120

Actual Situation

Cost of pro

ductio

n p

er Kg tom

ato

(%

)

Total Production cost Energy cost

Ptotential for Reduction

20% production cost

20% Reduction

in energy costs


Beispiel: BIOFERMCRAFT Projekt gefördert durch die EU im 6. Forschungsrahmenprogramm, COOP-CT-2003-508169

Zielsetzungen:

• Steigerung der biologischen Aktivität mittels

Ultraschallbehandlung

• durch Ultraschall aktivierte Biomasse führt zu höheren

Produktausbeuten

• bessere Substratausnutzung aufgrund verbesserter

Dispergierung der Mikroorganismen

• höhere Produktqualität

BIOFERM – Innovative Herstellung biotechnologischer

Produkte mittels aktivierter Fermentation


Beispiele: ETHAV und BIOKRAFT

Erzeugung und energetische Nutzung von Bioethanol aus landwirtschaftlichen Brennereien

Zielsetzung:

• BIOKRAFT: Optimierung der

Energieversorgung durch den

Einsatz eines mit Biokraftstoff

betriebenen Blockheizkraftwerkes

(BHKW) in einer

landwirtschaftlichen Brennerei.

• ETHAV: Entwicklung eines

Systems zur Ethanolverbrennung

in Kessel- und Motorenanlagen im

privaten sowie im industriellen

Bereich


Projekt: BioRealSimProjektförderung durch die BIS Bremerhavener Gesellschaft fürInvestitionsförderung und Stadtentwicklung mbH, AZ 59015/3-Z

BioRealSim – Biogas-Echtzeit-Simulator zur Entwicklung neuer Strategien zur Prozessautomatisierung in Biogasanlagen

Ziele:

• Erstellung und Erprobung von

Automatisierungsstrategien für

landwirtschaftliche Biogasanlagen

• Entwicklung eines modular aufgebauten

Echtzeitsimulators mit Schnittstelle zu

verschiedenen Prozessleitsystemen

zur vereinfachten Integration in

bestehende Systeme

• Optimierung des Simulators auf Basis

von Betriebsdaten aus Pilot- und

großtechnischen Anlagen


SustainAquaCOLLECTIVE RESEARCH Projekt gefördert durch die EU im 6.Forschungsrahmenprogramm COLL-CT-2006-030384

SustainAqua – Integrierter Ansatz für eine nachhaltige und gesunde

Frischwasser-Aquakultur

Zielsetzung:

• Verbesserung der Wettbewerbsfähigkeit der europäischenFischzüchter durch die nachhaltige Ausgestaltung des Frischwasser-

Aquakultur-Sektors:

Diversifizierung der Produktpalette

Steigerung der Produktqualität

Verbesserung der Produktionsmethoden

� Empfehlungen für nachhaltige Qualitätsstandards und Regionale

Verhaltensnormen für die Europäische Frischwasseraquakultur

� Training von Fischzuchtverbänden, die insgesamt 10.000

Fischzüchter aus 13 Europäischen Ländern repräsentieren

� AQUA+ E-learning Plattform

� AQUA+ Handbuch für EU-Fischzüchter

� AQUA+ Trainingkonzept und Trainingsmaterial








Hoher Wasserverbrauch für Reinigungszwecke

Große Mengen an Abwasser

Hoher Energieverbrauch

Längere Reinigungs- und Desinfektionszeiten

Molkereien: 0,9 - 25m³

Abwasser pro Tonne

verarbeiteter Milch (1)

Brauereien: 2 – 10 hl

Abwasser pro verkauftem

Hektoliter Bier (2)

(1) (European Dairy Association, 2002)

(2) Institute for Prospective Technological Studies-“Reference Document on Best Available Techniques in the Food, Drink and Milk Industries”(2006)

Umweltaspekte in der Lebensmittelindustrie:


Cleaning In Place - CIP

CIP dient dazu, vor allem innere Oberfläche von Behältern und Rohrleitungen zu säubern zu desinfizieren

verschiedene Reinigungslösungen werden im Kreislauf durch Behälter und Rohrleitungen geführt


- Vorspülung

- Basische Reinigung

- Zwischenspülung

- Saure Reinigung

- Zwischenspülung

- Disinfektion

- Endspülung

CIP Ablauf:


Zeit, Temperatur und Dosierung werden dabei so verändert, dass eine optimale Reinigung erreicht wird


CIP-Anwendungen tragen dazu bei Wasser, Energie und Chemikalien einzusparen.

� Trotzdem:Hoher WasserverbrauchHohe Abwasserproduktion

Frischwasserverbrauch

4 - 10 hl / verkauftem hl Bier (2)

Abwasserproduktion



(1)Food and Drink industry CBMC -The Brewers of Europe- “Guidance Note for establishing BAT in the brewing industry” (2002)(2) Institute for Prospective Technological Studies-“Reference Document on Best Available Techniques in the Food, Drink and Milk Industries” (2006)

z.B.:Brauereien



Abwasser aus der Reinigung enthält Produktreste und andere

Verschmutzungen u.a.:

gelöstes organisches Material (messbar als BSB5 oder CSB)

Fette, Öle und Schmierstoffe

abgelagerte Feststoffe

Nitrat, Ammoniak und Phosphat

Rückstände von Reinigungs- oder Desinfektionsmitteln









Eigenschaften von Ozon

Ozon ist ein Gas

Ozon ist wasserlösslich

Ozon besteht aus drei Sauerstoffatomen

Ozon ist äußerst reaktiv und instabil

Ozon zerfällt schnell wieder zu Sauerstoff, ohne dabei

Rückstände zu hinterlassen

Ozon hat eine längere Halbwertszeit im gasförmigen

Zustand als in wässriger Lösung


Wasserlöslichkeit von Ozon in Abhängigkeit von der Temperatur für verschiedene Ozonkonzentrationen in der Gasphase

0

5

10

15

20

25

30

0 10 20 30 40 50

Temperatur / °C

Lö

slich

keit

/ p

pm

1% wt

1,5% wt

2% wt

3% wt

C. Gottschalk, J. A. Libre, A. Saupe „Ozonation of water and wastewater“ WILEY-VCH, 2000

Die Wasserlöslichkeit von Ozon hängt stark von der Temperatur und der Reinheit des Wassers ab.



5

10

15

20

25

30

35

10 15 20 25 30 35 40

Wassertemperatur / °C

Ha

lbw

ert

sz

eit

/ M

in

Halbwertszeit von Ozon im Wasser (pH=7)

Die Halbwertszeit von Ozon hängt stark von der Temperatur und der Reinheit des Wassers ab.



Der Grund für die Instabilität des Ozon-Moleküls ist die schwache Bindung des dritten Sauerstoffatoms. Dadurch

wirkt Ozon sehr gut als Oxidationsmittel.

O3 + 2H++2e- �� O2 + H2O E°= 2,07 V

Oxidationsreaktionen


Oxidationspotential des Ozons im Vergleich zu anderenDesinfektionsmitteln

0,95

1,36

1,49

1,78

1,81

2,07

0 1 2 3

Oxidationspotential eV

Ozon

Peroxyaceticsäure

Wasserstoffperoxid

Hypochlorsäure

Natriumhypochlorid

Chlordioxid



Wenn Ozon mit einem Mikroorganismus in Kontakt kommt, oxidiert das Sauerstoffatom mit der schwachen Verbindung

Moleküle der Zellmembran.

Schwache VerbindungMikroorganismus

Sauerstoff O2

Dies führt zur osmotischen Auflösung und Zerstörung der Zelle. O3 wirkt daher aktiv gegen Bakterien, Pilze, Viren und

Sporen von Bakterien und Pilzen.



Ozon reagiert auf zwei Arten mit organischen Verbindungen:

a) direkt, wenn molekulares Ozon mit einer organischen Verbindung reagiert.

O3 + M Mox + O2

O3

OH-MoxOH*

M

selektive Reaktionen !Zykloadditionen, elektrophile und nukleophile Reaktionen

unselektive Reaktionen !

b) indirekt, durch den Zerfall des Ozons und Bildung von hochreaktiven freien Radikalen.

Ozon zerfällt durch komplexe Radikal-Reaktionen

HO2•OH•


“Koronaentladung”

im Wasser oder in der Luft

Luft

Herstellung von Ozon

Sauerstoffmoleküle werden einer kontrollierten elektrischen Entladung

oder Lichtbogen ausgesetzt.

Es entsteht atomarer Sauerstoff,

der sich mit einen Sauerstoffmolekül verbindet und

Ozon bildet.


Vorteile des Einsatzes von Ozon als Desinfektionsmittel

1. Effektives Antimikrobielles Reinigungsmittel gegen

Bakterien, Pilze, Viren und deren Sporen.

Rückführung von Reinigungswasser

geringere Kontaktzeiten

Reduzierung des Wasserverbrauchs und der

Abwasser Produktion


2. Schneller Zerfall zu Sauerstoff, ohne dabei

Rückstände zu hinterlassen

Bildung unerwünschter Nebenprodukte wird vermieden

(Chloramine, Chlorphenole, Thihalomethane, etc.)

Abwasserqualität wird verbessert. Sauerstoffanreicherung

im Abwasser. Reduktion von CSB bzw BSB5



3. Herstellung vor Ort in erforderlicher Menge

Keine Lagerung

4. Einsatz bei niedrigen Temperaturen

Energieeinsparung



Toxizität von Ozon

0.1-1.0 ppm Kopfschmerzen, trockener Hals, Irritation im Atmungssystem und schmerzende Augen

Maximale Arbeitsplatzkonzentration / MAK- Wert:

0,1 ppm

0,2 mg/m3

Ozon ist ein Gefahrstoff

in Raumluft

Ozon ist ab einer Konzentration von 0,01 ppm wahrnehmbar

1/10 des MAK-Wertes


Es gibt unterschiedlicher Anwendungen von Ozon in der Lebensmittelindustrie

gasförmig oder in Wasser gelöst

direkter Kontakt zu Lebensmitteln

Oberflächen mit und ohne Lebensmittelkontakt

Anwendungen


Obst

Gemüse

Fleisch und Geflügel

Fisch

Mehl

Gewürze

Getreide

Direkte Anwendung bei Lebensmitteln

Ozonanwendung in verschiedenen Produktgruppen

Fließband zum Abspülen mit Ozon angereicherten Wasser von

Blumenkohl (1)

(1) www.ozonecip.net


Lebensmittelsicherheit

Verhinderung von Fremdkontamination

Verlängerung der Haltbarkeit

Oberflächenreinigung der Lebensmittel

Vorteile

www.ozonecip.net


Anwendung bei Oberflächen mit Lebensmittelkontakt

Fasswaschanlage für Weinfässern (1)

Waschanlage für Fließbänder (1)

Anwendungen

(1) www.ozonecip.net








Das OZONECIP-Projekt

Ziel:Ziel: Anwendung von Ozon als Alternative zu derzeit Anwendung von Ozon als Alternative zu derzeit

verwendeten Desinfektionsmitteln in CIPverwendeten Desinfektionsmitteln in CIP--Prozessen in Prozessen in

der Lebensmittelindustrie der Lebensmittelindustrie

Schwerpunkt liegt auf CIP Anwendungen für

Weinkellereien, Brauereien und Molkereien

Für CIP Anwendungen wird ozonangereichertes Wasser direkt in das System injieziert und für eine bestimmte Zeit im

Kreislauf geführt


RTDsRTDs

PartnerPartner

Industrie Industrie

PartnerPartner

OZONECIP (LIFE 05 ENV/E/000251) finanziert durch das LIFE-ENVIRONMENT-Programm der Europäischen Union.

www.ozonecip.netwww.ozonecip.net

Das Projekt Consortium


Im Rahmen des Projekts wird ein Ozon-CIP-Prototyp konstruiert und unter Praxisbedingungen getestet

CIP-Prototyp

Simulationen von CIP-ProtokollenReinigung mit und ohne Ozon


Zur Bewertung werden folgende Parameter betrachtet:

Umweltparameter

Wasserverbrauch

Abwassermenge und -qualität

Energiebedarf

Parameter

Parameter zur Lebensmittelsicherheit:

Reinigungs- und DesinfektionseffektivitätRückstände

Andere Parameter:

Kosten-Nutzen-Verhältnis

Gesetzgebung

Potentielle Risiken (Arbeitsschutz, Materialverträglichkeit, etc.)


Boisrobert,

2002

Von 4 zu 6 log ReduktionTrichophyton mentagrophytes,

Salmonella choleraesuis,

Staphylococcus aureus,

Pseudomonas aeruginosa,

Campylobacter jejuni, Listeria

monocytogenes, Aspergillus flavus,

Brettanomyces bruxellensis, E. coli

Ozonangereichert

em Wasser3,0 - 3,5 ppm

Anlagen, Wände,

Böden, Abflüsse, Tische und

Förderbänder

(vorgereinigt)

Hampson,

2000Mikrobielle Reduktion von68,8% bis 97,4%

Nicht angegebenOzonangereichert

em Wasser

2 ppm - 1 Minute

Transport

Container aus

Plastik

Hampson,

2000Mikrobielle Reduktion von67,0% bis 95,6%

Nicht angegebenOzonangereichert

em Wasser

2 ppm - 1 Minute

Verschiedene

Böden in einer

Lebensmittelindus

trie

Hampson, 2000

Mikrobielle Reduktion von63,1% bis 97,4% (abhängig

von der Oberfläche)

Nicht angegebenOzonangereichertem Wasser:

2 ppm - 1 Minute

Mischkessel aus Edelstahl

Lagrange,

reiprich, &

Hoffmann,

2004

Mikrobielle Reduktion von

99%

Staphylococcus aureus,

Pseudomonas aeruginosa und

Candida albicans

Ozonangereichert

em Wasser

„Cleaning In

Place“ (CIP)

Systeme

Greene, Few, Joao &

Serafini,

1993

Jeweils 5,6 und 4,4 log Reduktion,

Pseudonomas fluorescensund Alcaligenes faecalis

Ozonangereichertem Wasser:

0,5 ppm -10

Minuten

Biofilm Beseitigung auf

Edelstahloberfäch

en in Molkereien

Autor, JahrErgebnisse Mikroorganismen BehandlungAnwendung

Beispiele zur Entkeimungseffizienz von Ozon


Nutzen für die Industrie

Erhebliche Reduzierung des Wasserverbrauchs

Vermeidung des Einsatzes gesundheitsgefährdender

Chlorverbindungen

verbesserte Abwasserqualität

Verminderung oder Ausschluss einer Umweltgefährdung

durch Unfälle

Energieeinsparpotential

Geringere Geruchsbelästigung


ttz Bremerhaven

- Umweltinstitut -

An der Karlstadt 6

27568 Bremerhaven - Germany

Phone: +49 (0)471 9448-774

Fax: +49 (0)471 9448-722

Email: [email protected]

Web: www.ttz-bremerhaven.deMeinem Vater

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