Die Herstellung hochqualitativer Produkte in der Lebensmittel-, Kosmetik- und Pharmaindustrie erfordert den Einsatz reproduzierbarer Reinigungsprozesse. Häufig wird die nasschemische Reinigung als Cleaning in Place Verfahren angewandt. Diese Arbeit leistet einen Beitrag zur Optimierung von Reinigungsprozessen im nicht immergierten System insbesondere bei der Anwendung gravitationsgetriebener Flüssigkeitsfilme. Inhalte sind Untersuchungen zum Benetzungs- und Strömungsverhalten im Vergleich zur Reinigungswirkung von Flüssigkeitsfilmen. Als Modellverschmutzungen wurden zwei lebensmitteltypische Bestandteile in Kombination mit partikulären Anteilen eingesetzt. Im Ergebnis konnte nachgewiesen werden, dass sich das Reinigungsverhalten der gewählten Verschmutzungen mit der Hydrodynamik am Beispiel von Flüssigkeitsfilmen beschreiben lässt. Zusätzlich wurde ein neuartiger Ansatz zur Optimierung der Reinigungseffizienz durch die Anwendung diskontinuierlicher Flüssigkeitsfilme untersucht. Dadurch konnte gezeigt werden, dass der Ressourceneinsatz gegenüber einer kontinuierlichen Flüssigkeitsfilmströmung signifikant verringert werden kann, wobei die Reinigungszeit nur geringfügig steigt.:Danksagung ... II Inhaltsverzeichnis ... III Verzeichnis der verwendeten Formelzeichen ... VI Abkürzungsverzeichnis ... XVI 1 Einleitung, Motivation und Gegenstand der Arbeit ... 1 2 Grundlagen der Reinigung ... 3 2.1 Begriffserklärung ... 3 2.2 Industrielle Reinigungsprozesse ... 3 2.2.1 Einordnung ... 3 2.2.2 Reinigungsgeräte für die Nassreinigung im nicht immergierten System ... 8 2.3 Reinigungsvorgänge im nicht immergierten System ... 10 2.3.1 Komponenten des Reinigungssystems ... 10 2.3.2 Schmutzhaftmechanismen ... 20 2.3.3 Reinigungsmechanismen und Wirkzusammenhänge ... 23 2.3.4 Reinigungskinetik ... 28 3 Methoden für Reinigungsuntersuchungen ... 32 3.1 Einordnung ... 32 3.2 Industrielle Methoden ... 33 3.3 Wissenschaftliche Methoden ... 35 4 Gravitationsgetriebene Flüssigkeitsfilmströmungen ... 37 4.1 Einteilung von Filmströmungen und Filmkennzahlen ... 37 4.2 Kennzahlen zur Oberflächenbenetzung ... 40 4.3 Filmdicke und Filmoberflächenwelligkeit ... 47 4.3.1 Modellvorstellungen und Kennzahlen ... 47 4.3.2 Experimentelle Methoden ... 50 4.4 Strömungsgeschwindigkeit ... 54 4.4.1 Modellvorstellungen und Kennzahlen ... 54 4.4.2 Experimentelle Methoden ... 58 5 Zielsetzung und Lösungsweg ... 61 5.1 Problemstellung ... 61 5.2 Arbeitshypothese ... 62 5.3 Vorgehen ... 62 5.4 Zusammenhang mit anderen Arbeiten ... 63 6 Material und Methoden ... 64 6.1 Auswahl Substrate ... 64 6.2 Topografiebestimmung ... 64 6.3 Kontaktwinkelmessung ... 66 6.4 Untersuchungsobjekt ... 68 6.5 Grundaufbau der Versuchsanlage ... 68 6.6 Auswahl der Flüssigkeit ... 70 6.7 Festlegung der Einstellparameter für die Strömungs- und Reinigungsmessungen ... 71 6.8 Charakterisierung des Stoffsystems ... 71 6.8.1 Quellverhalten ... 71 6.8.2 Bindungskräfte ... 77 6.9 Hydrodynamik ... 79 6.9.1 Oberflächenbenetzung ... 79 6.9.2 Filmdicke ... 85 6.9.3 Strömungsgeschwindigkeit ... 102 6.10 Reinigungsuntersuchungen ... 115 6.10.1 Auswahl der Modellverschmutzungen ... 115 6.10.2 Auswahl und Konzeption der Messdatenerfassung ... 117 6.10.3 Versuchsaufbau ... 119 6.10.4 Aufnahmeparameter ... 121 6.10.5 Benetzungseinfluss auf die Phosphoreszenzintensität ... 123 6.10.6 Methode zur reproduzierbaren Verschmutzung ebener Substrate ... 125 6.10.7 Überprüfung der Reproduzierbarkeit und Gleichmäßigkeit der Verschmutzungsmethode ... 128 6.10.8 Versuchsablauf ... 130 6.10.9 Messdatenaufbereitung und -auswertung ... 130 7 Versuchsauswertung und Ergebnisse ... 140 7.1 Charakterisierung der Verschmutzung ... 140 7.1.1 Quellverhalten ... 140 7.1.2 Bindungskräfte ... 144 7.1.3 Zusammenfassung der Verschmutzungscharakterisierung ... 150 7.2 Hydrodynamik gravitationsgetriebener Flüssigkeitsfilme ... 151 7.2.1 Oberflächenbenetzung ... 151 7.2.2 Filmdicke und Filmdickenverteilung ... 163 7.2.3 Strömungsgeschwindigkeit ... 171 7.2.4 Zusammenfassung der Hydrodynamik gravitationsgetriebener Flüssigkeitsfilme ... 180 7.3 Reinigungsverhalten gravitationsgetriebener Flüssigkeitsfilme ... 182 7.3.1 Reinigungskinetik ... 182 7.3.2 Gereinigte Zonen ... 185 7.3.3 Einfluss des Flächenverschmutzungsgewichtes ... 187 7.3.4 Einfluss der Betriebsparameter ... 188 7.3.5 Reinigungseffizienz ... 191 7.3.6 Einfluss der Oberfläche ... 193 7.3.7 Fehlerdiskussion ... 195 7.3.8 Zusammenfassung des Reinigungsverhaltens ... 197 8 Vergleich Reinigungsverhalten und Hydrodynamik gravitationsgetriebener Flüssigkeitsfilme ... 198 8.1 Vorbemerkungen zum Vergleich ... 198 8.2 Einfluss Strömungsparameter auf das Reinigungsverhalten ... 198 8.2.1 Einfluss der Filmdicke und Filmdickenverteilung ... 198 8.2.2 Einfluss der Strömungsgeschwindigkeit ... 199 8.3 Einfluss abgeleiteter Größen auf das Reinigungsverhalten ... 201 8.3.1 Einfluss der Wandschubspannung ... 201 8.3.2 Einfluss der Grenzschichtdicke ... 202 8.4 Zusammenfassung des Vergleiches zwischen Reinigungsverhalten und Hydrodynamik ... 205 9 Optimierungsansatz: diskontinuierliche Flüssigkeitsfilme ... 207 10 Zusammenfassung und Ausblick ... 211 Literaturverzeichnis ... 214 Anhangverzeichnis ... 229