Eine Publikation der Swissprofessionalmedia AG
Kälte- und Lufttechnik: Ausgabe 10/2014, 06.10.2014

Flüssige Gase erzeugen «coole» Lebensmittel

Temperaturen von minus 196 (LN2) beziehungsweise minus 78,5 Grad Celsius (CO2) sorgen in der Lebensmittelproduktion für eine effiziente Kühlung. Für die Mischerkühlung bieten tiefkalte Gase, besonders in Bezug auf die Produktqualität, eine optimale Lösung.

Autor: Friedrich Moser, Anwendungstechniker

Für die Gaskühlung schaffen die Gesetze der Physik entscheidende Vorteile. Mit verschiedenen tiefgekühlten flüssigen Gasen lässt sich die Kälte schnell an den gewünschten Ort transportieren, wo diese während der Kühlung rückstandslos verdampfen. Für die Mischerkühlung in der Lebensmittelindustrie bieten flüssige Gase schon im Hinblick auf die Produktqualität eine optimale Lösung. Zudem kann ihr Einsatz dazu beitragen, die Prozesse besonders effizient zu gestalten. Der Industriegasespezialist Messer fasst unter der Bezeichnung Variomix alle Verfahren zusammen, bei denen Gase Lebensmittel in Mischern, Wölfen und Zerkleinerungsmaschinen kühlen.

Das Prinzip der Mischerkühlung.

Dank der kontinuierlichen Kühlung lässt sich während des Misch- oder Zerkleinerungsprozesses eine bestimmte Produkttemperatur halten oder einstellen. Dies kann aus verfahrenstechnischen oder lebensmittelrechtlichen Gründen notwendig sein. Je nach Produkt ist die Einstellung einer bestimmten Produkttemperatur für nachfolgende Verarbeitungsschritte, die Einhaltung von Temperaturgrenzen oder die Kompensation der Mischerwärme unabdingbar. So müssen beispielsweise Betriebe bei der Fleischverarbeitung die Mischerwärme kompensieren, um den Mischprozess von einem Temperaturanstieg unabhängig zu machen.

Bei konventionellen Kühlverfahren können Hersteller ihre Produkte entweder indirekt durch eine Solekühlung im doppelwandig ausgeführten Mischertrog oder durch direktes Einbringen von Kältemitteln wie Kaltwasser oder Scherbeneis kühlen. Die Zufuhr von Scherbeneis lässt sich nur mit unverhältnismässig hohem Aufwand automatisieren und geschieht deshalb in der Regel von Hand.

Einfache Kühlung mit Gas.

Demgegenüber ist die Kühlung mit Gasen einfach zu automatisieren. Für die direkte Mischerkühlung sind Eis oder Wasser nötig. Im Gegensatz dazu arbeitet die Gaskühlung rückstandsfrei. Sie ist schneller und erlaubt zudem eine grössere zeitliche Flexibilität in der Prozessführung sowie frei wählbare Temperaturbereiche. Beim Variomix-Verfahren sind die Details der Gaskühlung von der Maschinengeometrie, der Art des Gaseintrages und des Gases selbst abhängig. Wesentlich ist die gleichmässige Verteilung des flüssigen Gases im Mischer. Dabei unterscheiden die Experten zum einen nach Deckel- oder Bodenkühlung und zum anderen nach Kühlung mit Kohlendioxid oder Stickstoff. Zudem muss die Kühltechnik den freien Zugang zur Maschine gewährleisten und den Hygieneansprüchen des Produkts entsprechen.

Vorteilhafte Gaskühlung.

Die Kühlung mit flüssigen Gasen birgt Vorteile. Zu den wichtigsten zählen der Qualitätserhalt, die Reduzierung der eingesetzten Mittel sowie die Erhöhung der Produktivität durch Prozessautomatisierung oder durch bessere Ausnutzung der Maschinenkapazität. Die tiefe Kälte der Gase und das direkte Einleiten in den Mischer sorgen für eine schnelle Abkühlung und damit zur Prozessverkürzung. Nutzer können den Gaseintrag nach Menge und Zeit genau dosieren, womit sie eine sehr präzise Temperaturführung erreichen.

Häufig gibt es auch keine Alternative: Die Gaskühlung ist beispielsweise das einzige funktionierende Verfahren zur Herstellung von Produkten wie Formfleisch. In vielen Fällen ist die prozesssichere Kühlung aufgrund gesetzlicher Bestimmungen vorgeschrieben und lässt sich nur mit Gasen zuverlässig erreichen. Der Aufbau der Kältemittelversorgung ist einfach und auch in bestehenden Anlagen nachrüstbar.

Welches Gas ist besser geeignet?

In Bezug auf die kältetechnische Wärmebilanz gibt es praktisch keine Unterschiede zwischen Stickstoff und Kohlendioxid. Beide Gase müssen in flüssiger Form in einem Druckbehälter gespeichert werden. Da das Kältemittel direkten Kontakt mit dem Produkt hat, müssen Betriebe bei seiner Auswahl die unterschiedlichen Eigenschaften der zwei Gase berücksichtigen.

Das bakteriostatisch wirkende Kohlendioxid (CO2) hemmt Wachstum und Vermehrung von Keimen. Die bei Lösung in Flüssigkeiten entstehende Kohlensäure senkt den pH-Wert. Beim Einbringen in den Mischertrog wird es durch die Entspannung in der Düse zu etwa minus 78 °C kaltem Trockeneisschnee. Der Schnee wandelt sich im Prozess zu Gas. Während dieses Vorgangs gibt das Gas seine Kälteenergie an das Produkt ab. Trockeneispartikel können in Formfleisch allerdings kleine Bläschen erzeugen, wenn beim Formen noch Partikel im Produkt vorhanden sind. Das lässt sich vermeiden, wenn das Produkt nach dem Mischen ruhen kann, bis das sublimierte Gas ausgedampft ist.

Statt CO2 lässt sich auch Stickstoff verwenden. Dieser löst sich kaum in Wasser und ist zudem pH-neutral. Seine Temperatur beträgt bei der Einspritzung etwa minus 196 °C. Wegen des enormen Temperaturgefälles verdampft flüssiger Stickstoff sehr schnell und gibt seine Kälte in kurzer Zeit an das Produkt ab.

Deckel- oder Bodenkühlung?

Häufig ist die Gaskühlung in den Deckel der Anlage integriert. Das Einbringen von Kältemittel von oben auf das Produkt oder direkt zwischen die Mischerwellen ist eine einfache technische Lösung. Allerdings hat die Deckelinstallation konstruktionsbedingte Nachteile. Durch die notwendige Beweglichkeit des Deckels strömt das Gas durch einen ebenfalls beweglichen Metallschlauch ein. Doch die Bewegung beansprucht den Schlauch, der dabei im Laufe der Zeit verschleisst. Ein Austausch wird nötig. Zudem kann sich unerwünschtes Kondensat auf der Einspritzausrüstung bilden und von dort in den Mischer fallen, was schon aus Hygienegründen unerwünscht ist. Des Weiteren ist der Gasverbrauch relativ hoch: Zum einen lässt sich mit diesem Verfahren nur die Verdampfungskälte des Stickstoffs oder die Sublimationskälte des Kohlendioxids nutzen. Zum anderen kann das Absaugen des Gases nur von oben und damit in der Nähe der Einbringdüsen erfolgen. Ein Teil des eingebrachten Gases und mit ihm ein Teil der Kälte gehen so verloren, bevor sie den Mischerinhalt erreichen.

Deshalb ist es in der Regel effizienter, das Gas durch Düsen im Trogboden in das Produkt einzuspritzen. Damit ist ein grosser Abstand zur Absaugvorrichtung automatisch gegeben. Das Gas bewegt sich von unten nach oben und kann seine Kälte nahezu vollständig an das Produkt abgeben.

Technisches Know-how.

Alle Verfahrensvarianten müssen hygienegerecht sein und den hohen Anforderungen einer industriellen Lebensmittelproduk­tion entsprechen. Verwenden Unternehmen bei der Deckel- oder Topkühlung Stickstoff, besteht das Eintragssystem in der Regel aus einem Sprühbalken mit Einzeldüsen, zum Beispiel in Form eines Rechens. Schneehörner kommen bei der Deckelkühlung mit Kohlendioxid zum Einsatz. Sie sind für dieses Kühlme­dium besser geeignet als reine Düsen. Bei der Entspannung in Düsen würde das Kohlendioxid kleine Trockeneiskristalle bilden, die in kurzer Zeit in die Gasform übergehen (sublimieren) und vom Absauggebläse abgezogen würden. Die nutzbare Kälteenergie wäre dann deutlich geringer.

Herkömmliche Düsen für das Einbringen des Gases durch den Trogboden sind offen und werden mit Gefälle eingebaut, damit Produktreste in den Mischer zurückfliessen können. Die Clapet-Düsen verfügen dagegen über ein integriertes, federbelastetes Rückschlagventil. Sie sind wasserdicht und verhindern den Eintritt von Produktresten, selbst wenn es sich um Flüssigkeiten handelt. Die Düsen öffnen eigenmediumgesteuert mit dem aufgegebenen Gasdruck und benötigen daher keine zusätzliche Hilfsenergie oder Heizung. Das bedeutet, dass der Rückschlagkolben abhängig vom Druck des Kältemittels öffnet und schliesst. Im Idealfall genügt deshalb ein einziges Auf-Zu-Ventil im gemeinsamen Zulauf der Clapet-Düsen.

Wenn flüssiges Kohlendioxid zum Einsatz kommt, wird jede Düse von einem separaten Magnetventil angesteuert. Das Magnetventil muss so nah wie möglich an der Einspritzstelle installiert werden, um ein Verstopfen durch Trockeneispartikel zu vermeiden. Am einfachsten ist es, wenn die Einspritzdüse direkt mit dem Magnetventil verschraubt wird.

Besonderheiten der Prozessführung.

So müssen Unternehmen zum Beispiel die Prozessführung an das verwendete Gas, die Eintragstechnik und die Besonderheiten der Aufgabenstellung anpassen. Bei Kühlung mit Kohlendioxid und konstanten Produktparametern (Menge, Zusammensetzung, Eingangstemperatur) kann ein Mitarbeiter das Kältemittel bei laufendem Mischvorgang zeitgesteuert eintragen. Eine Temperaturmessung ist dann nicht erforderlich. Der Mischvorgang darf jedoch nicht zum Stillstand kommen, da sonst die Gefahr besteht, dass die Produktoberfläche zu stark anfriert und das Produkt nicht isotherm bleibt. Bei variablen Produktparametern und bei Kühlung mit Stickstoff ist eine Temperaturführung mit getaktetem Kälte­mitteleintrag erforderlich.


Weitere Informationen:
Messer Group GmbH




Die Clapet-Düsen öffnen eigenmedium­gesteuert mit dem aufgegebenen Gasdruck und benötigen daher keine zusätz­liche Hilfsenergie


Bei Verwendung von Kohlendioxid muss das Magnetventil nahe an der Einspritzstelle installiert sein