Kälteanlagen werden eingesetzt, um bestimmte Produkte abzukühlen und für Lagerung und Transport auf eine Temperatur zu bringen, die unter der Umgebungstemperatur liegt. Lebensmittel sind dafür das bekannteste Beispiel, stellen aber nur einen von vielen Verwendungszwecken dar. Die dafür notwendige Kühlung bedeutet nichts anderes, als der Umgebung Wärme zu entziehen. Dieses Prinzip nutzen Menschen bereits seit Urzeiten, also schon lange vor den heutigen technischen Möglichkeiten.
Die Entdeckung der Kältetechnik
Schon früh entdeckte man, dass sich zum haltbarmachen von Lebensmitteln Eis, Wasser und Luft einsetzen lassen. In China entdeckte man auch bereits vor Jahrhunderten, dass sich der Geschmack von Getränken durch die Kühlung verbessern lässt. Die genauen Ursachen dafür waren allerdings bis ins 19. Jahrhundert unbekannt. Dann wurde erkannt, dass Bakterien, Hefen und Schimmelpilze temperaturabhängig wachsen und das Wachstum unterhalb von 10° C nur noch sehr gering ist. Im Jahr 1860 wurden erste mechanische Kältemaschinen zur Herstellung von Eis produziert. Damals war an hochspezielle Bauteile wie einem Unterkühler freilich noch nicht zu denken. Ammoniakverdichter und isolierte Kühlräume gewannen um die Jahrhundertwende aber rasch an Bedeutung. In Brauereien, Schlachthäusern und in der Fischindustrie warten sie geradezu revolutionär und bildeten die Grundlage der heutigen Lebensmittelindustrie und -Logistik. Nach dem Zweiten Weltkrieg setzte sich diese Entwicklung weiter fort. Kleinere, hermetische Verdichter wurden entwickelt und so erschwinglich, dass Kühl- und Gefrierschränke längst Standard in allen Haushalten sind. Heute sind sie aus dem Alltag nicht mehr wegzudenken – und Unternehmen wie der niederländische Hersteller Demaco tragen ihren Teil dazu bei.
Anwendung von Kälteanlagen
Neben Kühl- und Gefrierschränken gibt es unzählige Anwendungsbeispiele für Kälteanlagen. Zu nennen sind hier etwa
- Anlagen zum Konservieren von Lebensmitteln
- Prozesskühlung
- Klimatisierung
- Anlagen zur Eiserzeugung
- Erzeugung von Transportkälte
- Trocknungsanlagen
- Medizintechnik
- Trinkwasseranlagen
- Kühlcontainer
- Wärmepumpen
Ein besonders spannendes und zukunftsweisendes Beispiel ist zudem die Gefriertrocknung. Diese spielt in der Lebensmittelindustrie eine zunehmend wichtige Rolle.
Wie funktioniert die Gefriertrocknung?
Das Grundprinzip macht sich den Übergang von Molekülen von ihrem festen Zustand in die Gasphase zunutze, die unterhalb der jeweiligen Gefrierpunkte bei einem sehr niedrigen Druck geschieht. Die Anlage besitzt zwei miteinander verbundene Kammern, die sich mittels Ventil schließen lassen. Das zu kühlende Produkt platziert man auf einer in einer der Kammern befindlichen Stellfläche, die beheiz- und kühlbar ist, um hier unter normalen Druckverhältnissen tiefgefroren zu werden. Die zweite Kammer durchzieht ein Kondensator in Form einer Rohrschlange, der von einer kalten Flüssigkeit durchströmt wird. Beim zweiten Schritt der Primärtrocknung muss nun das im Produkt enthaltene Wasser bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunktes sublimiert werden. Hierbei macht man sich das Prinzip zunutze, dass auch gefrorenes Wasser einen so hohen Dampfdruck besitzt, dass es unmittelbar vom gefrorenen in den gasförmigen Zustand übergehen kann. Hierfür ist es notwendig, in der Kammer ein Vakuum zu erzeugen. Für die Sublimation wird thermische Energie aus der Umgebungstemperatur bezogen. Der Kammer wird aber nur so viel Wärme zugeführt, wie Wasser in Form von Sublimationsenergie aufgenommen wird. Während es Trocknungsprozesses entwickelt sich eine Atmosphäre, die fast ausschließlich aus Wasserdampf besteht und sich in der kalten Rohrschlange des Kondensators niederschlägt. Dies senkt den Partialdruck des Wassers innerhalb der Kammer weiter, wodurch eine Trocknung des dort befindlichen Produktes weiter begünstigt wird. Die Primärtrocknung entzieht dem Produkt allerdings nur das locker gebundene Haft- und Kapillarwasser, daher ist eine Sekundärtrocknung unerlässlich.
Bei der Sekundärtrocknung wird das Produkt weiter erwärmt, um stärker gebundenes Wasser wie die Hydrathüllen der im Produkt enthaltenen Stoffe zu entziehen. Abhänggig von den chemischen Eigenschaften kann die dafür notwendige Temperatur über 0° C liegen. Nach dieser Trocknung enthält das Produkt zwischen 1 und 4% Restfeuchtigkeit. Es folgt die Versiegelung des getrockneten Produktes, für die das Vakuum meist durch Stickstoff oder ein anderes inertes Gas ersetzt wird.
Die abschließende Kühlung erfolgt mithilfe eines Kälteträgers wie Silikonöl. Alternativ kann auch eine direkte Beaufschlagung mit einem Kältemittel wie Stickstoff oder Kohlendioxid erfolgen. Hierfür liegen die Temperaturen des Kondensators normalerweise zwischen -60 und -80° C. Beim Einsatz in großindustriellen Anlagen geschieht dies oftmals mithilfe von Absorptionskältemaschinen, die Ammoniak als Kältemittel nutzen. Nach dem Schließen der Verbindungsklappe wird der Kondensator durch Wasserdampf abgetaut. Das entstehende Produkt besitzt eine kaum noch messbare Restfeuchte und bekommt dadurch eine besonders lange Haltbarkeit. Eine Kühlung des Lebensmittels ist nach der Gefriertrocknung nicht mehr notwendig.
Anwendungsbeispiele
Zu den ältesten und bekanntesten Beispielen der Gefriertrocknung gehört der Instant Kaffee sowie diverse vergleichbare, ebenfalls auf Granulat basierende Getränke. Auch zahlreiche streufähige Küchengewürze werden mit dem Verfahren der Gefriertrocknung haltbar gemacht. Der aktuelle Fruchtpulver-Trend wäre ohne die Gefriertrocknung unvorstellbar. Da die Aromen bei der Gefriertrocknung weitestgehend erhalten bleiben, wird die Lebensmittelindustrie in der Zukunft sicher weitere Anwendungsgebiete für die Gefriertrocknung erschließen. Bislang ist die Gefriertrocknung noch ein energieintensives Verfahren. Sofern es in der Zukunft möglich wird, die Gefriertrocknung auch mit einem geringeren Energieeinsatz durchzuführen, dürfte sie global eine immer wichtigere Rolle spielen – nicht zuletzt auch beim Welternährungsprogramm.
