Haftkräfte, Alterung und Überwachung funktionaler Oberflächen – Gärtücher im Gebrauch

Die vorliegende Arbeit ist im Bereich technologischer Oberflächen angesiedelt. Der
Fokus liegt dabei auf den mechanischen Oberflächeneigenschaften, also Maßen wie
der sehr grob vereinfachenden Rauheit, ihren Einflüssen auf Haftkräfte und Reinigbarkeit
sowie den Auswirkungen von Alterung. In einem zweiten Themenkomplex
wird eine automatisierte Bildanalyse zur Überwachung und Schmutzerkennung
auf gewebten Tüchern entwickelt. Die gesamte Arbeit bewegt sich vor dem Hintergrund
der Bäckerei und ihren spezifischen Anforderungen bei der Herstellung
von Brötchen, weist in der Anwendbarkeit der Erkenntnisse jedoch breiter in die
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allgemeinere Verwendung gewebter Textilien in der Verfahrenstechnik, insbesondere
auch in der Fest-Flüssig-Filtration.
In der Bäckerei werden Brötchenteiglinge vor dem Backen auf textilen Gärtüchern
gehen gelassen. Die Herausforderung liegt darin, dass der Teig nicht auf den verwendeten
Oberflächen festkleben darf, sondern sich beim Abkippen schnell und
zuverlässig löst. Jegliche Rückstände, ob Teigreste oder als Trennmittel eingesetztes
partikuläres Mehl, neigen zum schnellen Verderb in der feucht-warmen Atmosphäre
beim Gehenlassen und dienen unter anderem Schimmel als Nährboden.
Aus hygienischen Gründen ist es deshalb unausweichlich, die Tücher regelmäßig
zu reinigen, was mit Aufwand verbunden ist.
In einem ersten Arbeitsabschnitt untersucht diese Arbeit die grundsätzlichen Einflussparameter
auf die Haftphänomene im Anwendungsbereich. Die Oberflächencharakterisierung
erfolgte mittels konfokalem Laser-Raster-Mikroskop und der
Auswertung der Oberflächenkartierungen gemäß der ISO 25178-2. Bei der Anhaftung
von Mehlpartikeln an massiven Oberflächen stellte sich eine erhöhte Rauheit
als lindernd heraus. Dies ist ein Ergebnis, dass sich mit der partikulären Hafttheorie
durchaus in Einklang bringen lässt, allerdings mit der hygienegerechten
Gestaltung geschlossener Anlagen für nasse Prozessmedien in einen Zielkonflikt
tritt. An Gärtüchern zeigte sich der Rückhalt von Mehlpartikeln als von den Profiltälern
dominiert. Sowohl ihre Tiefe als auch ihr Flächenanteil korrelierten mit der
Zentrifugalbeschleunigung, die zum Entfernen der Mehlpartikel notwendig war.
Es wird von Arbeiten berichtet, bei denen das Haftverhalten von Weizenteigen beeinflusst
wurde. Dort wurde allerdings der Teig verändert und damit zwangsläufig
auch das spätere Bäckereierzeugnis. Einzig die Oberflächen von Apparaten und
ihrer Komponenten werden im Rahmen dieser Arbeit zur Diskussion gestellt und zur
zukünftigen Optimierung untersucht, um Verbesserungen und Nachrüstungen
auch durch niedrige Investitionskosten attraktiv zu gestalten.
Einen wesentlichen Einfluss auf das Haftverhalten hat die Kontaktdauer, während
der sich das komplexe Fließ- und Relaxationsverhalten des Weizenteigs verdeutlicht.
Der Kontakt über 10 Minuten kann hier als lang betrachtet werden; bei ihm
treten die mechanischen Oberflächeneigenschaften in den Hintergrund. Auf unterschiedlich
geschmirgeltem Edelstahlblech hing die Teighaftung dann nur noch vom
Alter des Teiges ab. Auf Gärtüchern zeigte sich ein Einfluss des chemischen Materials
(ob Baumwolle oder Polyester). Einzig bei stark texturierten Förderbändern
(Waffel- und Rippenstruktur in Millimetergröße) behielt die mechanische Gestalt
auch bei langem Kontakt ihren mildernden Einfluss auf die Ablösespannung.
Bei kurzer Kontaktdauer von einer Minute ließ sich die Haftspannung des Teiges
auf den Gärtüchern mit deren Profilspitzen korrelieren. Ein großer Spitzenanteil
nimmt die Last des Teiges im oberen Bereich des Oberflächenprofils der Tücher auf
und verhindert so die innigere Verbindung mit weiteren Oberflächenanteilen. Die
Höhe der Spitzen (insbesondere die extreme Spitzenhöhe gemäß der ISO 25178-2)
erlaubt dem Teig sich während seiner Relaxation zu deformieren ohne zusätzliche
Kontaktfläche mit tieferen Profilanteilen auszubilden. In diesem Zusammenhang
spielt ganz sicher die Haarigkeit der Tücher eine entscheidende Rolle: Vom Tuch
abstehende Primärfasern des Garnes halten einerseits den Teig vom innigeren Kontakt
mit dem übrigen Tuch auf Abstand, andererseits stellen sie mit ihrer Länge
eine Strecke dar, über die sich die Haftarbeit bei der Ablösung des Teiges verteilt.
Mit der Arbeit als dem Integral von Kraft und Weg kann die Ablösekraft des Teiges
durch längere Haare und dadurch einen längeren Weg signifikant verringert
werden.
In einem weiteren Schritt wurden drei ausgewählte Gärtücher gealtert: durch praktischen
Gebrauch, durch Abbürsten und durchWaschen. Das Baumwolltuch zeigte
ein nachteiliges Alterungsverhalten bei Wäsche und Gebrauch; das Waschen hatte
auf alle drei Tücher technologisch nur negative Auswirkungen. Das Bürsten verbesserte
die Parameter der Profilspitzen, steigerte die erkennbare Haarigkeit sehr
deutlich und senkte die Teighaftung.
Im Fazit ließen sich die Optimierung der Tücher hinsichtlich des Mehlrückhaltes,
also minimierte Profiltäler, und der Teigablösung, also maximierte Profilspitzen,
konfliktfrei kombinieren. Für den praktischen Einsatz konnte das Bürsten als Zwischenreinigung
und zur gleichzeitigen Verbesserung der Tuchoberfläche vorgeschlagen werden, um die
Zyklen zur hygienisch erforderlichen Wäsche zu maximieren.
Die Bildauswertung im zweiten Themenkomplex dieser Arbeit setzte sich zum
Ziel, Verschmutzungen auf gewebten Tüchern zu erkennen. Dabei sollte von etablierten
Methoden abgewichen und die Möglichkeit geschaffen werden, Kontaminationen
ohne Farb- oder Helligkeitsunterschied zu berücksichtigen. Das Auswertekonzept
aus Periodizitätserkennung, Schwellenwert- und Ausreißerbestimmung
funktioniert ohne Eingreifen eines Anwenders und ohne Vorwissen über Tuch oder
mögliche Verschmutzung. Die Funktion einer ersten Implementierung auf einem
Arbeitsplatzrechner wurde anhand von Filtertüchern in einer fortschreitenden Reinigung
demonstriert und kann in Echtzeit betrieben werden. Die bildanalytische
Überwachung bietet erstmals die Möglichkeit, in einer Filtertuchreinigung den tatsächlichen
Verschmutzungsgrad auf dem Tuch selbst zu bestimmen. Dies erlaubt,
die Intensität der Reinigung durch einen geschlossenen Regelkreis anzupassen. Außerdem
erübrigt sich jede Modellierung der Kontamination und der Reinigung, da
der tatsächliche Zustand automatisiert greifbar wird. In diesem Sinne können somit
auch Gärtücher überwacht und entsprechend ihres aktuellen Bedarfs gereinigt
werden. Dadurch sollte ihre Hygiene sichergestellt und gleichzeitig ihre mechanische
Lebensdauer maximiert werden.
Ein Großteil dieser Arbeit entstand während und in einer Kooperation mit dem
Lehrstuhl für Brau- und Getränketechnologie der TU München, wo eine zweite
Promotionsarbeit das Forschungsfeld komplementiert.

The present thesis makes a contribution to the research on technological surfaces.
The focus is thereby on the mechanical surface properties, measures like the very
coarsely simplifying roughness, its influences on adhesion and cleanability as well
as the effects of aging. In a second group of topics an automated image analysis
is developed for the monitoring and dirt recognition of woven cloths. The entire
work progresses with respect to the needs of the baker’s trade and its specific requirements
with the production of bread rolls. The findings however are applicable
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to a broader use of woven textiles in process engineering, particularly in the field
of solid-liquid filtration.
In the bakery, dough pieces are placed on proving cloths for rising. The challenge
arises from the necessity of the sticky dough pieces to release quickly, fully and
reliably from the cloths when tipped over. Any residue, either from dough or particulate
flour as separating agent, tend to spoil readily in the moist and warm
atmosphere of the rising cabinet, and nourish mold and mildew. From a hygienic
point of view, washing the cloths on a regular basis is imperative and effortful.
In a first section of work this thesis examines the fundamental parameters of influence
on the adhesion phenomena within the scope. Surfaces were characterized
by confocal laser scanning microscopy followed by evaluation after ISO 251782.
Flour particles adhered less on surfaces with higher roughness. This harmonizes
well with common theory of particulate adhesion, but enters a conflict of interest
with general rules off hygienic design for closed equipment for wet processes. On
proving cloths, the retention of flour particles was dominated by profile valleys.
Both the valley depth and surface share correlated with the centrifugal acceleration
necessary to remove adhering particles.
Existing literature has previously described modified dough adhesion. However,
the dough constitution was manipulated and thereby the final bakery product
changed. In this thesis only the surfaces of apparatuses and their components are
opened to the debate and evaluated for their optimization to favor easy and costefficient
improvements and retrofits.
The duration of contact had an important influence onto the adhesive manner,
which illustrates the complexity of the dough’s rheology and relaxation behavior.
Contact of 10 minutes could be considered long in this case; mechanical surface
properties fade into the background. On differently ground stainless steel sheets dough
adhesion then only depended on dough age. On proving cloths the cloth
material’s chemical composition (cotton or polyester) exhibited specific effects.
Only on heavily textured conveyor belts (waffle or ridge shapes in millimeter scale)
their mechanical appearance maintained some of their lowering influence on
dough adhesion.
After short contact durations of one minute dough adhesion could be correlated
with profile peaks on proving cloths. A big surface share bears the dough’s load
above most of the cloths’ surface and hinders it from coming into closer contact.
The surface peaks’ height (especially the extreme peak heights after ISO 251782)
allows the dough to deform during relaxation while preventing additional contact
with subjacent surface profile. In this context hairiness of the cloths is of major
importance: Protruding primary fibers of the yarn separate the dough from more
of the cloths’ surface on the one hand, on the other hand the exposed length poses
a distance over which the work of detachment can be spread. As work is the integral
of force over distance, the dough’s pull-off force is reduced by longer hairs.
In a further section of work three different proving cloths were selected for ageing
via three types of common impacts; brushing, washing and practical use. The
cotton cloth degenerated in washing and use; use harmed all the three cloths.
Brushing improved the surface peaks’ parameters, boosted hairiness apparently,
and eased dough release.
To conclude, both the optimization of cloth particle retention, concerning the profile
valleys, and dough release, concerning the surface peaks, can be combined with
no conflict. For practical applications brushing can be suggested as an intermediate
cleaning step, improving the surface properties simultaneously, to maximize
the service periods between hygienically necessary washes.
The image analysis in the second group of topics aims to detect soilings on woven
cloths. Differing from established methods, the proposed method finds contaminations
without differences in color or brightness. The concept incorporates periodicity
detection, a threshold algorithm, and outlier detection. It works without
supervision or prerequisite knowledge about either the cloth or possible soiling.
A proof of concept was implemented on a desktop computer and demonstrated
on an example series of a progressively cleaned filter cloth. It can be run in realtime.
For the first time the image-analytical supervision allows for a filter cloth
cleaning to detect the actual degree of contamination. This enables the adaption
of the cleaning intensity on the basis of a closed-loop control. Furthermore, any
considerations about model contaminations and cleaning models become superfluous,
since the actual state becomes tangible. In this way proving cloths too can
be supervised and cleaned corresponding to their actual demand. Thus hygiene is
ensured while their service life is maximized.
Most of this research was conducted while and in a cooperation with the Chair of
Brewing and Beverage Technology of TU Munich. There a second doctoral thesis
that complements the field of research.