Sensorik in der Lebensmittelproduktion: Hygienic Design in der Praxis

Drei Bereiche mit unterschiedlichen Anforderungen

Die Anforderungen an einen Sensor ergeben sich nicht aus der Branche, sondern aus seinem Abstand zum Produkt. Üblich ist die Einteilung in drei Bereiche, wie sie auch den Empfehlungen der EHEDG und der DIN EN 1672-2 zugrunde liegt.

Produktbereich. Der Sensor hat unmittelbaren Kontakt zum Lebensmittel oder ragt in den Produktstrom. Hier gelten die vollen Anforderungen: totraumfreie Konstruktion, Oberflächen mit einem Mittenrauwert Ra von höchstens 0,8 Mikrometer, Werkstoffe mit Eignung für den Lebensmittelkontakt nach Verordnung (EG) 1935/2004, frontbündiger Einbau ohne Spalt.

Spritzbereich. Der Sensor wird von Produktresten, Kondensat und Reinigungsmittel getroffen, ohne das Produkt zu berühren. Das ist der häufigste Fall und der, in dem am meisten falsch ausgewählt wird. Anforderungen: beständige Werkstoffe, hohe Schutzart, reinigungsgerechte Form ohne waagerechte Flächen, auf denen Flüssigkeit stehen bleibt.

Nicht-Produktbereich. Der Sensor liegt außerhalb von Produkt und Reinigungszone, etwa in der Verpackung nach dem Siegeln oder in der Palettierung. Hier genügen in der Regel Standardbauformen, sofern die Umgebung trocken bleibt.

Werkstoffe und Nachweise

Bei Edelstahl entscheidet die Legierung über die Lebensdauer. 1.4301, oft als V2A bezeichnet, ist für trockene Bereiche ausreichend, neigt aber im Zusammenspiel von Chloriden und Wärme zu Lochkorrosion. In Bereichen mit Salz, Lauge oder Desinfektionsmittel gehört 1.4404 oder 1.4571 an diese Stelle.

Für Dichtungen kommt es auf das Medium an, nicht auf den Sensorpreis. EPDM verträgt heißes Wasser, Dampf und viele Laugen, quillt aber in Fetten und Ölen. FKM verhält sich umgekehrt und ist gegen Öle und Säuren beständig, in Heißdampf jedoch begrenzt. PTFE deckt beides ab und ist dafür weniger elastisch.

Die Eignung eines Gehäuses gegen Reinigungsmittel wird nicht über eine Norm nachgewiesen, sondern über Prüfungen einzelner Hersteller und Prüfinstitute; verbreitet ist die Beständigkeitsprüfung nach Ecolab. Für Werkstoffe im Lebensmittelkontakt gelten die Verordnung (EG) 1935/2004 und für Kunststoffe die Verordnung (EU) 10/2011, im US-Markt zusätzlich die Anforderungen der FDA und die 3-A Sanitary Standards.

Was CIP und SIP für den Sensor bedeuten

Bei der Reinigung im geschlossenen System, dem CIP-Verfahren, wird die Anlage ohne Demontage mit Lauge und Säure durchgespült, typischerweise bei 60 bis 85 °C. Beim Sterilisieren im System, dem SIP-Verfahren, folgt Sattdampf mit Temperaturen bis etwa 140 °C. Für den Sensor sind dabei zwei Dinge kritisch: die Temperatur selbst und der schnelle Wechsel zwischen heiß und kalt.

Kritisch ist dabei die Abkühlphase: Nach der heißen Reinigung zieht sich die im Gehäuse eingeschlossene Luft zusammen, und es entsteht Unterdruck. Sitzt eine Dichtung nicht sauber oder ist sie durch Reinigungsmittel gequollen, zieht der Sensor dann Feuchtigkeit ein - der klassische verzögerte Ausfall, der erst Wochen nach der Inbetriebnahme auftritt. Bauformen mit Druckausgleichselement entschärfen den Effekt. Deshalb reicht die Angabe einer Betriebstemperatur nicht aus; entscheidend ist die zulässige Reinigungstemperatur und deren Dauer. Welche Angabe im Datenblatt dafür maßgeblich ist, steht in der FAQ unter dem Punkt, welche Temperaturangabe bei CIP und SIP zählt.

IP69K ersetzt IP68 nicht

Die beiden Schutzarten prüfen verschiedene Dinge. IP68 steht für dauerndes Untertauchen unter den vom Hersteller genannten Bedingungen, IP69 für die Reinigung mit Hochdruck und Dampfstrahl aus kurzer Entfernung. Ein Sensor mit IP69 ist damit nicht automatisch für dauerhaftes Untertauchen geeignet, und ein Sensor mit IP68 hält dem Dampfstrahl nicht zwangsläufig stand.

Zur Schreibweise: Die zweite Kennziffer 9 wurde 2013 in die IEC 60529 aufgenommen, in Deutschland DIN EN 60529. Die verbreitete Bezeichnung IP69K stammt aus der 2012 zurückgezogenen DIN 40050-9 und wird in der Fahrzeugnorm ISO 20653 als IPX9K beziehungsweise IP6K9K weitergeführt. In Datenblättern industrieller Sensorik steht IP69K in aller Regel für dieselbe Prüfung wie IP69 nach DIN EN 60529.

In der Auswahl heißt das: Beide Angaben sind zu prüfen, wenn beide Belastungen vorkommen. Im Zweifel steht die höhere Anforderung im Lastenheft, nicht die naheliegendere. Was das konkret bedeutet, steht in der FAQ unter dem Punkt, wann IP69K allein nicht ausreicht.

Typische Messstellen und was dort eingesetzt wird

Füllstand im Puffertank. Ein kapazitiver Sensor außen an der Kunststoffwand erspart den Eingriff in den Behälter und damit einen weiteren möglichen Totraum. Bei Edelstahltanks scheidet dieser Weg aus; dort wird von innen gemessen, mit einer hygienegerechten Bauform und Prozessanschluss.

Deckel- und Verschlusskontrolle. Kunststoffdeckel auf Glas oder Kunststoff sind induktiv nicht erfassbar. Üblich sind optische Sensoren oberhalb der Bahn oder kapazitive Sensoren bei kurzem Abstand. Im Spritzbereich entscheidet dabei weniger das Messprinzip als die Bauform.

Bandüberwachung und Stauerkennung. Hier sitzt der Sensor meist im Spritzbereich, wird also mitgereinigt, ohne das Produkt zu berühren. Bewährt haben sich Bauformen aus Edelstahl mit fest angegossenem Kabel und IP69K.

Temperatur in der Rohrleitung. Messstellen im Produktkontakt werden über einen hygienegerechten Prozessanschluss eingebunden, damit sich keine Spalte bilden. Der Sensor selbst muss die SIP-Temperatur nicht nur überstehen, sondern in dieser Phase auch messen können, wenn die Sterilisation dokumentiert wird.

Verpackung nach dem Siegeln. Ab dieser Stelle liegt in der Regel der Nicht-Produktbereich vor. Standardbauformen sind zulässig, solange die Reinigung der Nachbarbereiche nicht bis dorthin reicht - was in der Praxis öfter der Fall ist als in der Planung angenommen.

Montage und Fehlerquellen

Spalt hinter der Befestigungsmutter. Der häufigste Konstruktionsfehler im Spritzbereich. Produktreste sammeln sich dort, wo sie beim Reinigen nicht erreicht werden. Abhilfe: Hygienemuttern mit Dichtring oder frontbündige Einbausituation.

Waagerechte Flächen. Jede Fläche, auf der Flüssigkeit stehen bleibt, ist ein Ansatzpunkt für Keimbildung. Der Sensor wird so montiert, dass Wasser ablaufen kann; bei Rundbauformen bedeutet das eine leichte Neigung.

Kabelabgang nach oben. Das Kabel führt Wasser an den Anschluss, wenn es von oben kommt. Der Abgang gehört nach unten, mit einer Schlaufe unterhalb des Sensors.

Falscher Steckverbinder. Ein M12-Steckverbinder in Standardausführung erreicht die geforderte Schutzart nur bei vollständig angezogener Überwurfmutter und passender Dichtung. Im Spritzbereich ist ein fest angegossenes Kabel die sicherere Lösung.

Reinigungsmittel gewechselt, Sensor nicht geprüft. Ein Wechsel des Reinigers verändert die Belastung. Nach einem Wechsel gehört die Beständigkeit der eingesetzten Werkstoffe auf den Prüfstand, bevor die ersten Ausfälle auftreten. Woran sich ein solcher Schaden frühzeitig zeigt, ist in der FAQ beschrieben - dort steht, woran ein durch Reinigungsmittel geschädigter Sensor zu erkennen ist.

Den passenden Sensor auswählen

Für die Auslegung werden neben der eigentlichen Messaufgabe vier Angaben gebraucht: der Einbaubereich, das Reinigungsverfahren mit Temperatur und Dauer, die eingesetzten Reinigungsmittel und die geforderten Nachweise. Ohne diese vier Punkte lässt sich eine hygienegerechte Auswahl nicht begründen.

Bauformen finden Sie bei den induktiven Sensoren, den kapazitiven Sensoren und den optischen Sensoren. Welches Messprinzip zu welcher Aufgabe passt, steht im Vergleich induktiv oder kapazitiv; Begriffe wie IP-Schutzklasse sind im Glossar erklärt.

Weiterführende Antworten

Einzelfragen zum hygienegerechten Einsatz - von der Werkstoffwahl bis zur Schutzart bei Dampfstrahl - sind an einer Stelle gesammelt. Die Antworten zur Sensorauswahl in der FAQ werden fortlaufend ergänzt.