Fouling by milk constituents and cleaning of modified surfaces

Boxler, Cristiane

Die Effekte der energetischen und topographischen Oberflächeneigenschaften auf die Belagbildung und Reinigung von Milchkomponenten wurden identifiziert und quantifiziert. Diamond-like Carbon DLC und Si dotiertes DLC wurden für die Untersuchungen verwendet. Beläge aus drei Modellstoffsystemen: Molkeproteinisolat WPI, Calciumphosphat SMUF und beide kombiniert sowie Rohmilch, wurden bei initialen Oberflächentemperaturen T_o von 80°C bzw. 120°C auf beschichteten unbehandelten und elektropolierten Edelstahlsubstrakten in einer Batchanlage sowie in einem Plattenwärmeübertrager erzeugt. Die Reinigungskinetik von den Belägen wurde in einem Strömungskanal untersucht. Die Belagbildung, die Belagzusammensetzung und -struktur sowie die Adhäsions– und Kohäsionsfestigkeiten und damit die Entfernung des Belages wurden durch die freie Oberflächenenergie und –rauhheit sowie durch T_o, Lösungszusammensetzung und die Strömungsverhältnisse beeinflusst. Der polare Anteil der freien Oberflächenenergie, insbesondere die Elektronendonorkomponente Gamma-, hat wesentlich die Wechselwirkungen zwischen Belag und Oberfläche beeinflusst. Eine quadratische Beziehung zwischen Gamma- und dem Endwert des Foulingwiderstands, Belagmasse oder Protein– und Mineralgehalte im Belag wurde gefunden. Etwas mehr Verschmutzung auf beschichteten elektropolierten Oberflächen, die auch schwieriger zu reinigen waren, wurde im Vergleich zu beschichteten unbehandelten Oberflächen festgestellt. Der Einfluss von Gamma- an der Belagbildung war stärker bei T_o von 80°C als bei 120°C. In der proteinfreien Lösung hing die Bildung von Salzaggregaten in ersten Foulingschichten mit Gamma- zusammen, die auch für Ablagerungen aus Protein sowie aus Protein plus SMUF mit unterschiedlichen Strukturen beigetragen hat. Auf niedrigen Gamma- Oberflächen wuchs ein Belag überwiegend aus Calciumphosphat, während sich auf hohen E Oberflächen Protein bevorzugt ablagerte. Die Beläge unter kontinuierlichen Strömungsbedingungen entstanden mehr aus Kristallisations- und partikulärem Fouling als aus Proteinfouling. Reinigungsprofile waren abhängig von den Oberflächeneigenschaften. Auf hohen Gamma- Oberflächen konnte der Belag nahezu vollständig entfernt werden und die höchste Reinigungsrate sowie die schnellste Abnahme des thermischen Foulingwiderstands wurden gemessen. Optimale Gamma- Werte für minimales Fouling und maximale Reinigungswirkung wurden daraus abgeleitet.

This work seeks to identify and quantify the influence of surface energetic and topographic properties on the fouling and cleaning of milk constituents. Amorphous hydrogen containing carbon coatings diamond-like carbon DLC and Si doped DLC coatings were used for the investigations. Batch-wise fouling experiments were performed with whey protein WPI, calcium phosphate SMUF and both components combined as well as raw milk at low and high initial surface temperatures of 80°C and 120°C on coated standard and electropolished stainless steel surfaces. Continuous fouling experiments were carried out in a pilot scale plate heat exchanger, which was operated at a product side flow velocity of 0.1 m/s (Re = 870), heating the solution from 62°C to 85°C. The cleaning kinetics of WPI plus SMUF soils on the coated surfaces was monitored in a flow cell using NaOH. The fouling layer formation, composition and structure, as well as its adhesion and cohesion strengths and thus its removal were affected by the surface free energy, surface roughness, the initial surface temperature, the solution composition and the flow conditions. The main surface property influencing the interactions at deposit/surface interface was the polar contribution to surface free energy, particularly the electron donor component Gamma-. A quadratic relationship between Gamma- and the final fouling resistance, deposit dry mass or protein and mineral contents could be found. Slightly more fouling built up on electropolished coated surfaces, which were also more difficult to clean, compared to unpolished coated surfaces. The influence of the Gamma- on deposition was stronger at 80°C than at 120°C. The formation of different calcium phosphate aggregates in the first fouling layers could be related to Gamma-, which possibly also contributed for deposits with different structures from the protein and SMUF-rich protein solutions. On low Gamma- surfaces, calcium phosphate will prevail, while protein will attach preferentially to high Gamma- surfaces. Crystallization and particulate fouling were more pronounced than protein fouling in the experiments under flow conditions. Cleaning profiles were dependent on the surface properties. On high Gamma- surfaces, the soil was almost completely removed and the highest cleaning rate as well as the fastest reduction of the thermal resistance could be measured. Optimum Gamma- values for minimal fouling and maximal cleaning effort were suggested.

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Boxler, Cristiane: Fouling by milk constituents and cleaning of modified surfaces. 2014.

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