15.12.2009: Cryogene und mechanische Gefrierverfahren in vergleichender Betrachtung

Anwendungsspezifische Vorteile

Die Ernährungsgewohnheiten, die zu Beginn des letzten Jahrhunderts vorherrschten, sind mit denen in heutigen westlichen Gesellschaften nicht vereinbar. Kaufte man damals noch Lebensmittel ein, um sie am gleichen Tag zu verzehren, so ist die aktuelle Situation von Zeitmangel geprägt. Tiefgekühlte Produkte als bequeme Alternative zu frischen Erzeugnissen werden deshalb immer beliebter. Gleichzeitig bewirkt die weltweite Rezession, dass der Verbraucher mehr auf den Preis achtet. Diese Entwicklung hat die TK-Kost-Hersteller veranlasst, im Bemühen um mehr Qualität und höhere Wirtschaftlichkeit ihre Produktionsverfahren zu überprüfen. Als Unterstützung für die Verarbeiter von Lebensmitteln bei der Beurteilung der geeigneten Gefriertechnik hat Air Products eine Studie zu den neuesten Entwicklungen im Bereich der industriellen Gefrieranlagen in Auftrag gegeben.

Es galt herauszufinden, wo die Stärken und Schwächen des cryogenen und des mechanischen Frostens liegen. Die wichtigsten Unterschiede der Verfahren lassen sich an folgenden Faktoren festmachen: Produktqualität, Leistung, Flexibilität und Kosten. Hersteller wissen, wie negativ sich der Verlust von Flüssigkeit auf die Qualität eines Lebensmittels auswirkt. Bei TK-Produkten verdampft Wasser während des Frostens an der Oberfläche des Gefriergutes oder es geht beim Auftauen durch Abtropfen verloren. Dieser Wasserverlust beeinträchtigt nicht nur Aussehen, Textur und Nährwert, sondern erhöht auch die Garzeiten, da die Wärmeleitfähigkeit der äußeren Schicht reduziert ist. Dies ist insbesondere im Bereich der Gastronomie und des Caterings ein Problem, z.B. bei Hamburgern.



Frosten unter extrem kalten Bedingungen
Beim cryogenen Frosten wird die Oberfläche des Lebensmittels extrem kalten Bedingungen ausgesetzt. Die Temperatur im Inneren des Produktes fällt hierbei sehr viel schneller ab als bei einem Verfahren mit Zwischenkälteträger. Daher geht beim cryogenen Frosten weniger Feuchtigkeit verloren, was als klarer Vorteil zu werten ist. Ein entscheidender Faktor bei der Auswahl der Gefrieranlagen ist die Möglichkeit, schnell auf veränderte Anforderungen des Marktes reagieren zu können. Bei gleichem Durchsatz sind cryogene Gefrieranlagen kleiner und flexibler als mechanische Lösungen. Cryogene Apparate sind üblicherweise modular aufgebaut und lassen sich schnell an eine andere Stelle im Werk verschieben. Sie werden auch dann bevorzugt, wenn verschiedene Arten von Lebensmitteln verarbeitet werden sollen. Dank der kürzeren Gefrierzeit und der einfacheren Modulbauweise erfordern cryogene Froster für den Produktwechsel, die Wartung und die Reinigung weniger Zeit als eine mechanische Gefrieranlage. Beide Techniken unterscheiden sich zudem in ihrer Kostenstruktur. Mechanische Gefrieranlagen sind in der Anschaffung relativ teuer, während cryogene Froster höhere variable Kosten haben. Wenn also mechanische Anlagen aufgrund saisonaler Schwankungen der zu verarbeitenden Mengen nicht immer voll ausgelastet werden, verändert sich die Kosten-Nutzen-Rechnung. Um sicherzustellen, dass die mechanische Anlage stets mit optimaler Produktionsleistung fährt, müssen die Hersteller vor der Investition den „typischen“ Durchsatz genau abschätzen können.

Mechanische Gefrierverfahren als Alternative
Entwicklungen im Bereich der mechanischen Gefrierverfahren haben dazu geführt, dass diese besser mit dem cryogenem Frosten konkurrieren können. Beispielsweise wird in anderen Industriezweigen seit langem Wärmeübertragung durch gezielte Konvektion eingesetzt und auch in der Bäckerei sind entsprechende Heißluftbacköfen bereits üblich. Diese Technologie wurde jetzt auf das Frosten übertragen. Bei der mechanischen „Prallkühlung“ wird ein schneller Luftstrahl gezielt auf das Lebensmittel gerichtet. Dadurch wird die Grenzfläche des Produkts durchbrochen und der Wärmeübergang beschleunigt. Die Durchsatzraten sind denen der cryogenen Verfahren vergleichbar und damit auch den Kosten- und Qualitätsvorteilen, die oben bereits beschrieben wurden. Nachteil der Prallkühlung ist jedoch die fehlende Flexibilität. Die entsprechenden Anlagen sind sehr wirkungsvoll, wenn es um das Frosten flacher, dünner Produkte wie Hamburger oder Fisch geht. Wenn Lebensmittel jedoch höher sind als 20 mm, nimmt die Geschwindigkeit der Wärmeübertragung schnell ab. Ein weiterer begrenzender Faktor können die Kapitalkosten sein, sie liegen üblicherweise bis zu 40 % über denen für cryogene Anlagen. Aufgrund der beschleunigten Luftströmung wiegen die höheren Energiekosten die Einsparungen durch die geringere Gefrierzeit nicht unbedingt auf. Die Technik der Prallkühlung verbindet die Vorteile eines modularen Systems mit den geringeren Arbeitskosten des mechanischen Frostens. Der reduzierte Platzbedarf führt auch zu einer wirtschaftlicheren Ausnutzung der Produktionsfläche.
















Die verbesserte Funktionalität der mechanischen Anlagen führte wiederum zu Innovationen im Bereich des cryogenen Frostens, so dass jetzt beide Technologien den Lebensmittelherstellern vielfache Möglichkeiten eröffnen. Cryogene Pralltechniken beruhen auf dem Prinzip, Tröpfchen von Flüssigstickstoff unter hohem Druck auf das Produkt zu blasen. Die Entwickler dieser Verfahren geben an, dass sich hierdurch die Produktionsraten im Vergleich zu mechanischen Prallkühlern um ein Drittel und im Vergleich zu herkömmlichen cryogenen Tunnelfrostern um 20 bis 50 % erhöhen lassen. Allerdings geht die höhere Produktivität mit 15 bis 40 % höheren Kapitalkosten einher, und wie bei den entsprechenden mechanischen Anlagen können nur flache Produkte schneller gefroren werden. Mechanische Verfahren beginnen also, sich in mancher Hinsicht den Vorteilen cryogener Verfahren anzunähern. Insgesamt bleibt das cryogene Frosten jedoch besser in Bezug auf Zeit, Flexibilität und Wasserverlust. Mechanische Anlagen liefern eine optimale Leistung in spezialisierten Herstellungsverfahren. Die den Verarbeitern von Lebensmitteln angebotenen Möglichkeiten werden ständig weiterentwickelt. Daher ist vor der Investition eine sorgfältige Prüfung der Leistungsfähigkeit, der Kosten und der möglichen Auswirkungen auf die Produktqualität erforderlich. Es ist wichtig sicherzustellen, dass die gewählte Technik den derzeitigen Produktionsanforderungen entspricht. Die Beratung durch einen Spezialisten für Gefriertechniken ist der beste Weg für Hersteller, deren Ziel es ist, die auch langfristig für die geplante Geschäftsentwicklung passende Anlage zu finden. AC/St.
www.airproducts.de/food

15.12.2009: Erhöhte Brotqualität durch Spiralkühler mit Klimaregelung in engen Toleranzen

Vermeidung von Austrocknung

Die Backwarenindustrie stellt insbesondere im Frischbereich extrem hohe Anforderungen hinsichtlich Prozesssicherheit, Reproduzierbarkeit und Herstellungshygiene. Speziell für diese Anforderungen hat Heinen, Varel, das Verfahren der aktiven Kühlung von Grund auf untersucht und mit den Erfahrungen aus 25 Jahren industrieller Gär-, Kühl und Gefriersysteme sowie der modernsten Technologie neu aufgesetzt. Bei der gesamten Entwicklung wurde das Prozessklima in den Mittelpunkt gestellt.

Nur eine kontinuierliche und in engen Toleranzen arbeitende Klimaregelung gewährleistet ein jederzeit reproduzierbares Produktergebnis. Das ist beim Spiralkühler Arctic der Fall. Die drei Parameter Lufttemperatur, Luftfeuchtigkeit und Luftgeschwindigkeit können produktorientiert geregelt werden und optimal hinsichtlich Produktqualität und Energieeinsatz eingestellt werden. Wichtig war den Entwicklern die Unabhängigkeit des Prozessklimas von den vorherrschenden externen Einflüssen oder denen im Produktionsraum. Nur so können ganzjährig identische Prozessbedingungen garantiert werden. Dies ist wichtig für die nachfolgenden Arbeitsvorgänge wie z.B. das Schneiden, da sich die Produktaustrittstemperatur um nur wenige Grad verändern darf, um im anschließenden Schneideprozess ein gutes Ergebnis mit wenig Produktverlust zu erzielen. Ein weiterer Grund zur Entwicklung des aktiven Spiralkühlers ist das Erreichen einer verbesserten Endproduktqualität.

In der Anlage kann die Luftfeuchtigkeit in engen Toleranzen bei gleichzeitig hoher relativer Luftfeuchtigkeit geregelt werden. Herkömmliche Kühlprozesses neigen entweder auf Grund hoher Luftgeschwindigkeiten oder zu tiefer Temperaturen immer zum Austrocknen der Produkte. Im Spiralkühler von Heinen kann durch aktive Beeinflussung der Klimaparameter eine Austrocknung des zu kühlenden Produktes reduziert oder sogar ganz vermieden werden. Durch den Einsatz von mehrstufigen Filtern und (optional) mit UV-V Licht entkeimter Luft kann die Kontamination von Produkt und Fördersystem während des Kühlprozesses weitestgehend verhindert werden. Ein zusätzlich herrschender Überdruck verhindert die Verunreinigung der Luft durch das Eindringen von ungefilterter Luft in das Isoliergehäuse. Horizontale oder laminare Luftströmung sorgt für gleichmäßige, schonende und sanfte Produktkühlung. Somit wird eine längere Haltbarkeit von Frischbackwaren auf Grund höherer Prozesshygiene erreicht. Um die geforderten klimatischen Bedingungen auch exakt beizubehalten, wird über eine komplexe Software der gesamte Prozess kontrolliert und auch die optimale Luftmischung geregelt, so dass der für den Kühlprozess notwendige Energieeinsatz auf ein Minimum reduziert wird.

Das System wird in Bandbreiten von 660 mm, 760 mm, 914 mm und 1067 mm angeboten. Die Anzahl der Etagen kann von 12 bis 32 bei einer maximalen Brotlaibhöhe von 180 mm variieren. Für mehr Flexibilität in der Grundfläche gibt es zwei Radienverhältnisse sowie Einfachturm- oder Doppelturmanlagen. Die Förderung kann wahlweise aufwärts oder abwärts erfolgen. Vier Layoutvarianten werden angeboten: 0°, 90°, 180° und 270°. Je nach vorgesehener Austrittstemperatur dauert der Prozess 30 bis 240 min bei Gurtgeschwindigkeiten von 5 bis 25 m/min. Das komplette System ist aus Edelstahl hergestellt, der Gurt entweder ebenfalls Edelstahl oder aus Kunststoff. Ein aktiver Brotkühler Arctic a 7/20, der kürzlich in einem polnischen Betrieb installiert wurde, braucht eine Grundfläche von 7 x 8 m bei einer Höhe von 5 m. Hier werden pro Stunde etwa 1.600 Brote mit einem Gewicht von 1.000 g von 90 auf 26 °C abgekühlt. MT/St.
www.heinen.biz

Vorteile des Spiralkühlers:

• Hauptantrieb als Zentralantrieb unterhalb der Trommel
• Isoliergehäuse innen glatt mit Edelstahlbeschichtung, außen profiliert aus verzinktem Stahlblech mit weißer Kunststoffbeschichtung, Isolierstärke mindestens 100 mm
• Luftverteilwände aus Edelstahl
• Edelstahlschaltschrankgehäuse mit Siemens SPS, Touchscreen Display sowie einem Modem. - Klimatisierungseinheit seitlich oder oberhalb des Isoliergehäuses montiert
• Überströmöffnung im Isoliergehäuse
• Außen-, Zu-, Um- und Abluftklappen mit kontinuierlichen Stellantrieben.
  

Technische Optionen:

• Luftbefeuchtungssystem durch Ultraschallbefeuchter
• hochfeines Aerosol für höchstmögliche Feuchtigkeitswerte (verglichen mit anderen Befeuchtungssystemen), langsamere Sinkrate der Wassertröpfchen und damit stärkere Absorption durch das Produkt, effizientes Kühlen durch einen zusätzlichen adiabatischen Kühleffekt
• Luftbefeuchtungssystem durch Hochdruckzerstäubungsdüsen
• Wasseraufbereitungssystem (Enthärtung und Entmineralisierung) durch Umkehrosmose und UV-C Wasserentkeimung
• Befeuchtung durch hochreines Wasser, keine Verkeimung des Produktes durch verunreinigtes Wasser möglich, höchste Reinheit und Hygiene durch UV-C Entkeimung
• Wasseraufbereitungssystem durch Filtereinheit.
  

Schwerpunkt 'Kältetechnik' (Teil 2): Lesen Sie hier weiter...