Die sichere Variante zur schonenden Konservierung

Schockfrosten Allgemeines

Der Einsatz von Tiefkälte wird zur Konservierung von Lebensmitteln eingesetzt. Diese Art der Konservierung lässt sich auf prä­historische Zeiten zurückdatieren. Mit der Entdeckung der Schnellfrostung begann die industrielle Vermarktung gefrorener Lebensmittel. Seitdem haben sich steigende Absatzentwicklungen der Tiefkühlkost in Deutschland entwickelt (Gesamtverbrauch 2007 ca. viermal höher als 1977) [1]. Heutzutage werden viele natürliche Lebensmittel speziell zum Tiefgefrieren angebaut, zum optimalen Zeitpunkt geerntet und innerhalb kürzester Zeit verarbeitet und anschließend schockgefrostet (Bild 1).

Für das industrielle Tiefgefrieren sind nach heutigem Stand der Technik je nach Produktart drei Verfahren möglich: Kaltluft-gefrierverfahren, Kontaktgefrierverfahren und Tauch/Sprühverfahren (Cryogene Tiefgefrierverfahren) [2]. Dieser Bericht beschäftigt sich mit dem Kaltluftgefrierverfahren.

Anders als beim herkömmlichen Einfrieren bildet die Zellflüssigkeit bei diesem schnellen Abkühlverfahren in kurzer Zeit nur sehr kleine Eiskristalle (Bild 2), dies ist nur durch sehr hohe Gefriergeschwindigkeiten (ab 0,5 cm/h) zu erreichen. Die Zellwände und Membranen von Organellen wer-den dadurch nicht zerstört, sodass die Nährstoffe eingeschlossen bleiben. Beim Auftauen bleiben somit die Zellstruktur und damit die Konsistenz der Ware sowie die Aromaentwicklung erhalten und sind mit einem frischen Produkt vergleichbar. Besonders bei Lebensmitteln mit hohem Wassergehalt oder dünnen Zellwänden, z. B. Beerenfrüchte, ist die schnelle Frostung unabdingbar. Die erhaltene Frische kann durch das Einfrieren mit herkömmlichen Kälteanlagen/Kühlschränken nicht erreicht werden. Ein entscheidender Faktor in der TK-Kühlung!

Zur Charakterisierung der Leistungsfähigkeit eines Gefrierverfahrens ist die mittlere Gefriergeschwindigkeit (angegeben in cm/h) wie folgt definiert: w = d_o / z_o, dabei sind d_o der kürzeste Ab-stand zwischen Produktkern und Produkt­oberfläche und die Gefrierzeit z_o die Zeitspanne für das Abkühlen des Produktkerns von 0 °C auf 10 °C. Nach dieser Definition lassen sich Gefrieranlagen gemäß Tabelle 1 einteilen.

Entscheidend ist, dass die Ware innerhalb kürzester Zeit (je nach Anforderung etwa innerhalb von fünf Minuten) abkühlt und die Feuchtigkeit bindet. Dies geschieht durch die Bildung eines Eisfilmes an der Warenoberfläche und ist nur durch entsprechend ausreichende Kälteleistung möglich. Zusammengefasst ergeben sich folgende Zielvorgaben:

• Geringe und kleine Eiskristallbildung
• Erhaltung der Zellenstruktur
• Erhaltung der Nährstoffe und Vitamine
• Erhaltung des Wassergehaltes
• Kein Austrocknen und kein Verhauten der Ware
• Kein Gewichts- und Aromaverlust

Zur Einhaltung der Zielvorgaben ergeben sich folgende Anforderungen:

• Einfrieren in kürzester Zeit (nur wenige Minuten)
• Hohe Gefriergeschwindigkeit von der Warenoberfläche in den Zellenkern

Gefriergut

Im gesamten Tiefkühlmarkt stehen tiefge­kühlte Backwaren anteilig an erster Stelle,gefolgt von Gemüse, Fleischwaren und Kartoffelerzeugnissen. Backwaren­froster gehören heute zur Standardausrüstung einer Bäckerei. Die Backwaren, das sensibelste Lebensmittel wenn es um Kälteanwendung geht, erfordern deshalb optimierte Anlagentechnik. Die opti­mierte Anlagentechnik ist unabdingbar um Qualitäts-, Image- und letztendlich Umsatzverluste zu vermeiden. Sehr häufig werden durch unzureichende Kälteleistung und nicht bedarfsgerechte Technik Qualitätseinbußen verursacht. In der Praxis werden am häufigsten Teiglinge eingefroren. Durch unterschiedliche Backzusätze wird der Gefrierpunkt oft auf weit unter 10 °C gesenkt. Um den Gärvorgang ausreichend zu unterbrechen, ergibt sich die Anforderung des raschen Einfrierens der Ware auf Innentemperaturen von 18 °C und kleiner. Dazu werden Raumtempera­turen von 30 °C bis 35 °C in Verbindung mit hoher Luftumwälzung benötigt. Denn nur so kann das Verpuffen der Hefestämme verhindert werden [4].

Die Schnellfrostung wird außerdem für Gemüse, unterschiedliche Fleischsorten, Kartoffelerzeugnisse, Tiefkühlgerichte, Fisch, Pizzas und weitere eingesetzt. In Bild 3 ist der betroffene Sortimentsanteil des deutschen Tiefkühlmarktes und die gesamte Absatzmenge von 1998 und 2008 dargestellt.

Technische Anforderungen an den Schockfroster

Der Schockfroster (Verdampfer) muss nun in Abstimmung der Kälteanlage die gestellten Anforderungen, insbesondere die schnelle Warenabkühlung bis in die Zellenkerne, ermöglichen. Die Produktabkühlung erfolgt durch schnell bewegte Kaltluft, die um das Gefriergut geführt wird. Die Luft wird durch den Verdampfer stark abgekühlt, anschließend um die Ware geführt und wieder vom Verdampfer angesaugt.

In industrieller Anwendung werden im Wesentlichen zwei Methoden angewandt.

Gefriertunnelsystem: Tiefkalte Luft wird in einem Tunnel zu den auf einem Band transportierten Lebensmitteln geführt, sie wird horizontal oder vertikal auf die einzelnen Etagen innerhalb der Anlage geleitet (Spiralbandtunnel) oder die kalte Luft wird mit Druck von unten durch eine siebartig gelochte Bodenwanne geblasen [3].

Gefrierkammersystem: Das Gefriergut wird auf Ablageflächen in mehreren Etagen gelagert, sogenannten Hordenwagen. Dort wird die durch den Verdampfer abgekühlte Luft gezielt um das Gefriergut herumgeführt. Diese Methode wird bevorzugt in der Bäckereitechnik eingesetzt (Bild 4).

Bei der Schockfroster-Projektierung ist die Abstimmung folgender Parameter besonders wichtig:

a) Kühlfläche,

b) Luftvolumenstrom,

c) Rohr-, Lamellensystem,

d) Kältemittelverteilung und

e) kurze Abtauzeiten.

a) Kühlfläche

Der Luftkühler/Verdampfer muss während der Kühlphase in der Lage sein, die im Raum befindliche überschüssige Feuchtigkeit aufzunehmen, ohne zu stark an Kälteleistung zu verlieren. Diese Anforderung wird durch den Einsatz von Luftkühlern mit verhältnismäßig großen Oberflächen erfüllt. Aber nur Fläche zu liefern ist nach langjähriger Erfahrung der Schockfrosterfertigung von GEA Küba nicht der richtige Ansatz.

b) Luftvolumenstrom

Für die optimale Durchdringung des Kühlgutes spielt die richtige Luftwechselrate und somit der Luftvolumenstrom ebenfalls eine essentielle Rolle. Die Luftwechselrate sollte bei dem 600- bis 1000-Fachen des Rauminhalts liegen. Bei der Auslegung des Schockfrosters muss der zu überwindende luftseitige Druckabfall der Ware berücksichtigt werden. Die Luftgeschwindigkeit sollte ca. w_L = 2,8 bis max. 3,6 m/s betragen.

Hinweise zur Luftführung (Schockzellen für Hordenwagen):

• Auf der Ansaugseite sollte der Wandabstand mindestens 0,75 x Lüfterdurchmesser betragen.
• Der Abstand über dem Luftkühler sowie seitlich muss mindestens die gleiche Fläche wie die Ausblasfläche beinhalten. Hierbei ist zu beachten, dass die Aufteilung dieser Fläche möglichst quadratisch ist.
• Luftkurzschlüsse müssen vermieden werden. In der Regel erfolgt die Luft-Rückführung über den Kühler, also über das Deckblech. Hierzu ist eventuell eine Zwischendecke bzw. ein Zwischenblech erforderlich, das so ausgeführt sein muss, dass der Luftstrom auf jeden Fall durch die Horden und somit über die Ware geführt wird. Des Weiteren wird der Froster gegen die Zellwände abgeschottet.
• Es ist eine Revisionsklappe oder -tür vorzusehen, um Reparatur- bzw. Wartungsarbeiten an Lüftern und Heizstäben durchführen zu können.

c) Rohr-, Lamellensystem

Bei Schockfrostern ist es besonders wichtig, die Standzeiten zwischen den Abtauperioden möglichst hoch zu halten. Das bedeutet auch, dass nach der ersten Reifbildung an der Verdampferoberfläche weiterhin genügend Kälteleistung und somit zügige Luftabkühlung gewährleistet werden muss. Für die Erfüllung der hohen Standzeiten sind zum einen Lamellenabstände von mindestens 7 mm erforderlich, zum anderen sollte fluchtende Rohrschaltung verwendet werden. In Bild 5 ist der Vorteil des flucht­enden Rohrsystems gegenüber dem versetzten Rohrsystem grafisch dargestellt.

Vorteile des fluchtenden Rohrsystems:

• Geringerer luftseitiger Druckabfall
• Verringerung der Lufteintrittsfläche durch Bereifung erfolgt langsamer, daraus folgt:
• Höhere Laufzeiten zwischen den Abtauperioden
• Geringere Entfeuchtung durch höhere Lamellentemperatur
• Weniger Vereisung durch geringere Entfeuchtung
• Weniger Abtauungen

d) Kältemittelverteilung

Entscheidend für eine gleichmäßig kon­stante Abkühlkurve ist des Weiteren die optimale Kältemittelverteilung im Rohr­system. Anzustreben ist eine optimale Kältemittelverteilung über den gesamten Temperatur- und Leistungsbereich, den der Froster zu durchfahren hat. Durch die Erfüllung der optimalen Kältemittelverteilung in Verbindung mit der optimalen Rohrschaltung werden Eisnester, die den Luftstrom behindern und somit für ungleichmäßige Luftumwälzung sorgen, vermieden.

Nur die Kombination aus optimaler Kältemittelverteilung, guter Luftführung und effizienten Kühlflächen bei ausreichendem Lamellenabstand führt zu langen Standzeiten des Verdampfers.

Strömungs- bzw. Venturiverteiler sind in der Lage, homogene Medien gleichmäßig zu verteilen. Bei einer 2-Phasenströmung liegt ein homogenes Gemisch aber nur bei annähernder Schallgeschwindigkeit vor und ist deshalb lediglich im begrenzten Einsatzbereich erreichbar. Der CAL-Verteiler hingegen nutzt den umgekehrten Weg, nämlich die beiden Phasen des Gemisches zu trennen. Die getrennten Phasen lassensich dann ohne Schwierigkeit auf die gewünschte Passzahl aufteilen. Somit kann der Verteiler den gesamten Leistungsbereich abdecken. Je nach Belastung, ob viel oder wenig Kältemittel benötigt wird, ändern sich der Flüssigkeitsspiegel und das darüber befindliche Dampfvolumen. Im Gegensatz zum Venturiverteiler, bei dem nur eine kleine Düse für die Kältemittelverteilung zur Verfügung steht, übernimmt der CAL-Verteiler dank seines großen Volumens die Funktion eines Pufferspeichers zwischen Expansionsventil und Verdampfer. Somit stehen immer genügend Dampf und Flüssigkeit zur korrekten Verdampferfüllung zur Verfügung.

Zur Funktionsweise des CAL-Verteilers (Bild 6):

Das in dem zentralen Rohr (2) vom Ventil ankommende Flüssigkeits/Dampf-Gemisch wird zwischen dem Schirm (4) und dem Deckel (3) an die Rohrwand (1) geleitet. Die Flüssigkeit läuft nach unten ab und sammelt sich im unteren Teil des Gefäßes, während der Dampf im oberen Teil verbleibt. Anschließend strömt der Dampf von oben in die Verteilerrohre (5), während die Flüssigkeit durch die Schlitze (6) in diese eintritt. Die Höhe des Flüssigkeitsspiegels stellt sich entsprechend den Betriebsbedingungen ein.

Einzige Bedingung für das richtige Arbeiten des CAL-Verteilers ist eine senkrechte Einbaulage. Durch die Umstellung von den bisherigen Strömungsverteilern auf die CAL-Verteiler erreichen die GEA Küba Standardluftkühler eine wesentliche Leistungssteigerung (Bild 7).

Vorteile:

• Verhinderung von Leistungs­reduzierungen im Teillastbetrieb,
• Verhinderung von zu starken Leistungsreduzierungen nach Bereifung der Lamellenoberfläche,
• geringere Überhitzungen aufgrund gleichmäßigerer Beaufschlagung möglich, daraus ergibt sich eine weitere Leistungssteigerung.

e) Kurze Abtauzeiten

Bei der Schockfrostung wird angestrebt, die Durchlaufzeiten des Kühlgutes bzw. die Maschinenlaufzeiten zu maximieren. Jede Unterbrechung führt zu wirtschaftlichen Einbußen. Daher sind möglichst wenig und kurze Abtauzeiten zu erzielen. In der Regel werden Schockfroster durch elektrische Heizungen abgetaut.

Die Grundlage für die ideale Abtauung ist eine gleichmäßige Bereifung des Wärmeübertragers und somit eine optimale Kältemittelverteilung. Das gesamte Lamellenpaket sollte möglichst auf niedrige Oberflächentemperaturen ­aufgewärmt werden, sodass die Verluste gering gehalten werden und die aus dem Raum entzogene Feuchtigkeit nicht durch Verdampfung wieder zugeführt wird. Ziel der Abtauung ist ein gleichmäßig durchwärmter Lamellenkörper ohne Eisnester.

Hinweise zur optimalen elektrischen Abtauung

Die elektrischen Abtauheizungen sollten mit Wärmeleitrohr ausgestattet werden. Ohne Wärmeleitrohr können Oberflächentemperaturen von bis zu 300 °C entstehen, wodurch es zu hohen Verlusten kommt. Das System mit Küba-Wärmeleitrohr und Heizstab erzielt durch die formschlüssige Verbindung zwischen Lamelle und Wärmeleitrohr Temperaturen um 90 °C. Durch das verhältnismäßig niedrige Temperaturniveau erfolgt das Abtauen des Reifs und die Ab­führung des Tauwassers ohne Dampfschwadenbildung. Die Vorteile des Wärmeleitrohrs sind durch Messungen verifiziert und in Bild 8 a + b dargestellt.

Der Einsatz des beschriebenen hocheffizienten Abtausystems in Kombination mit hohen Oberflächenbelastungen (W/m²) führt zu kurzen Abtauzeiten.

Zusammenfassung

Das Schockgefrieren von Lebensmitteln gehört heute zum Standardprozess in der Lebensmittelindustrie. Durch das schnelle Gefrieren wird die Temperatur der einzelnen Lebensmittel innerhalb kürzester Zeit (zumeist binnen Minuten) auf die gewünschte Kerntemperatur von 20 °C und tiefer abgesenkt. Je schneller die Abkühlung, desto kleiner erfolgt die Eiskristallbildung, dadurch werden die Zellwände nicht zerstört und der Zellsaft bleibt in der Zelle erhalten. Vitamine, Mineralien sowie Geschmack bleiben geschützt. Zur Erreichung der hohen Gefriergeschwindigkeiten sind hohe Anforderungen an den Schockfroster notwendig. Technische Kriterien wie Kühlfläche, Luftvolumenstrom, Rohr-Lamellensystem und nicht zuletzt die Kältemittelverteilung müssen höchsten Ansprüchen gerecht werden und optimal aufeinander abgestimmt sein. -

Literaturverzeichnis

[1] Deutsches Tiefkühlinstitut e. V., 2012, https://www.tiefkuehlkost.de/

[2] Dr. Heinbach, Christian; Krug, Norbert: Pohlmann Taschenbuch der Kältetechnik. Grundlagen, Anwendungen, Arbeitstabellen und Vorschriften. Essen, C. F. Müller, Verlagsgruppe Hüthig Jehle Rehm GmbH, 2008, S. 655

[3] Dr. Jakobs, Rainer: Vorlesung, Kälteanwendung Be-handlung von Lebensmittel, 2009. Maintal: Europäische Studienakademie Kälte Klima Lüftung

[4] Brenner, Fritz: Interne Formulare der GEA Küba GmbH

GEA Küba GmbH, Baierbrunn

Schiessl Italia GmbH, Meran