Die Auslegung von automatischen Reinigungsprozessen in der Lebensmittelverarbeitung erfolgt überwiegend semi-empirisch und zur Gewährleistung der erforderlichen Produktsicherheit werden die Parameter Reinigungshäufigkeit, -dauer und Chemikalieneinsatz tendenziell zu hoch angesetzt. Das erweiterte Verständnis von Wirkzusammenhängen in industriellen Reinigungsprozessen würde die Auslegung verbessern und zu effizienteren Prozessen führen. Ziel der vorliegenden Arbeit ist es daher, mit einer neuartigen Untersuchungsmethode Voraussetzungen zur Analyse von Reinigungsprozessen in nicht immergierten Systemen zu erarbeiten. Im Mittelpunkt der Arbeit stehen Reinigungsprozesse, die durch den direkten Aufprall eines Flüssigkeitsstrahls auf einer ebenen Oberfläche gekennzeichnet sind. Im ersten Teil der Arbeit werden sowohl der Wissensstand als auch offene Fragenstellungen zu Wirkzusammenhängen von nicht immergierten Reinigungsvorgängen herausgearbeitet. Anschließend erfolgt eine Diskussion von in der Literatur beschriebenen industriellen sowie labortechnischen Methoden zur Untersuchung von Reinigungsprozessen in nicht immergierten Systemen. Auf den Rechercheergebnissen aufbauend, wurde eine Untersuchungsmethode auf Basis der optischen Erfassung von Fluoreszenzemissionen erarbeitet, die eine direkte, orts- und zeitaufgelöste Analyse des Reinigungsverlaufs ermöglicht. Zur Überprüfung der Validität des methodischen Ansatzes wurden schwerpunktmäßig kausale Zusammenhänge zwischen Betriebsparametern des Reinigungssystems und der Reinigbarkeit genutzt.

Für die Reinigungseffizienz ist die Kenntnis des Wirkzusammenhangs zwischen Schmutzbeschaffenheit und Reinigungsverhalten bedeutsam, da der Reinigungsbedarf von den Schmutzeigenschaften bestimmt wird. Bisher ist jedoch unzureichend dokumentiert, worauf der Reinigungsbedarf von kohäsiven Lebensmittelrückständen im immergierten System zurückgeführt werden kann. Anhand von Reinigungsuntersuchungen in einer Fließzelle werden die Auswirkungen physikochemischer Schmutzparameter (z.B. elektrisches Potential, energetischer Zustand, Molekülgröße) von Proteinen und Stärken getestet, um Empfehlungen für eine ressourceneffiziente Reinigungspraxis abzuleiten. Die Vielfalt der physikochemischen Eigenschaften von Lebensmittelinhaltsstoffen wird durch gezielte Modifizierung (physikalisch, chemisch, enzymatisch) simuliert und unter Anwendung verschiedener Analysetechniken charakterisiert. Die vorgestellte Durchflusszelle ermöglicht vergleichende Untersuchungen zum Abtragsverhalten an einer Vielzahl von Verschmutzungen in verschiedenen Messkonfigurationen. Es konnten Prozessbedingungen (Fließrate, Temperatur) identifiziert werden und die Genauigkeit der Fließmethode durch Vergleich von spektroskopisch und gravimetrisch ermittelten Abtragswerten gezeigt werden. Die Reinigungsuntersuchungen an Polymerverschmutzungen zeigten eine deutliche Differenzierung hinsichtlich Polymerart und pH der Modifizierung und können auf Lifschitz van der Waals- oder elektrostatische Wechselwirkungen zurückgeführt werden. Die Auswirkungen hitzeinduzierter Strukturveränderungen und der Proteinvernetzung waren nicht signifikant. Der Grad der enzymatischen Stärkehydrolyse wurde über rheologische Messungen und den DE-Wert charakterisiert, wobei mit zunehmender Inkubationsdauer die Reinigungseffizienz in ähnlicher Weise zur Löslichkeit steigt. Die Anwendung eines Enzymreinigers aus Diastase verbesserte signifikant die Reinigungseffizienz von Stärke- sowie Dextrinverschmutzungen und es wurde eine Modellvorstellung abgeleitet, nach der geringer kationisch geladene, niederenergetische und niedermolekulare Rückstände einen kleineren Reinigungsbedarf erfordern.

Die automatische Reinigung von Verarbeitungsmaschinen erfolgt industriell auf Basis von Erfahrungswissen oder empirisch ermittelter Daten. Ein grundsätzliches Verständnis komplexer Reinigungsprozesse würde diese momentane Praxis, die sowohl fehleranfällig ist als auch ein hohes Einsparpotential an wichtigen Ressourcen bietet, deutlich verbessern. Ziel der vorliegenden Arbeit ist es daher, durch die Untersuchung von Reinigungsvorgängen im immergierten System einen Beitrag zur Verbesserung der Ressourceneffizienz und der Prozesssicherheit automatischer Reinigungsvorgänge in Verarbeitungsmaschinen zu leisten. Ausgehend davon werden in einem ersten Schritt sowohl Kenntnisstand als auch offene Fragen im Verständnis von Reinigungsvorgängen im immergierten System identifiziert. Darauf aufbauend erfolgt die Betrachtung vorhandener industrieller sowie labortechnischer Messmethoden zur Analyse von Reinigungsvorgängen. Auf Basis dieser rechercheorientierten Arbeit wird die Arbeitshypothese aufgestellt, dass die Untersuchung der Wirkmechanismen der Reinigung im immergierten System auf der Betrachtung komplexer Strömungsgeometrien mit einem geeigneten Messsystem beruht. Die Konzeption eines solchen Messsystems sowie die Durchführung der Versuche stellen den ingenieurtechnischen Kern der vorliegenden Arbeit dar. Die Auswertung der gesammelten Erkenntnisse sowie die kritische Prüfung und Einordnung in den Stand der Forschung bilden den wissenschaftlichen Schwerpunkt. Im Ergebnis werden aus den somit gewonnenen Erkenntnissen zu den Wirkmechanismen der Reinigung Rückschlüsse auf die wissenschaftliche Weiterführung dieser Untersuchungen sowie auf die Anwendung in der industriellen Praxis gezogen.