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Kühlen, Gefrieren und Vereisung bei Lebensmitteln

Nutzung der Simulation bei der Optimierung von Kühlhallen, Tiefkühlhallen und ganzen Logistikzentren

Teaserbild Blog 092 Kühlhalle

Kühlen

Wie man kühlen kann, wissen Menschen bereits, seit sie begonnen haben, Häuser zu bauen. Die alten Ägypter nutzten feuchte Tonkrüge als „Kühlschrank“. Die Tonkrüge waren mit Wasser oder Wein gefüllt und wurden von Sklaven mit Palmwedeln angewedelt, um die Verdunstungskälte zu nutzen. Dadurch wurde dem Medium in den Krügen die Wärme entzogen und sie wurden gekühlt.

Ein einfaches Prinzip, das jeder nachvollziehen kann, wenn er seinen Finger befeuchten und anbläst. Paul Carl Gottlieb hat dieses Prinzip 1876 technisch umgesetzt und damit den Kühlschrank erfunden.

Heutzutage verfügt fast jeder Haushalt zumindest in den Industrieländern über einen Kühlschrank, da Sklaven mit Palmwedeln hierzulande Mangelware und politisch nicht gewünscht sind.

Wie gelingt es aber der Lebensmittelindustrie, die Ware vor dem Einkaufen frisch zu halten?

Lagerung von Obst und Gemüse

Insbesondere Äpfel lassen sich gut lagern. Direkt vom Baum schmecken Sie zwar am besten, aber auch viele Monate nach der Ernte können sie noch frisch und lecker sein. Hierzu ist aber die Lagerung in einer Kühlhalle notwendig. Dort ist die Luft nur ein bis vier Grad kalt, sehr feucht und enthält nur wenig Sauerstoff. Teilweise werden die Äpfel zusätzlich mit einem Frische-Gas umhüllt.

Bei Gemüse sind die möglichen Lagerungszeiten zum Teil wesentlich kürzer. Die Temperaturen liegen etwas höher, so etwa im Bereich von 7 °C.

In reinen Kühlhallen muss auf jeden Fall vermieden werden, dass es zu einem Absinken der Temperatur unter 0 °C kommt, da die Lebensmittel sonst vereisen.

Tiefgefrieren, Tiefkühlen und Einfrieren

Länger haltbar werden Lebensmittel, wenn sie eingefroren werden. Dabei ist der Verlust von Vitaminen und Nährstoffen auch nach mehreren Monaten relativ gering.

Als „Tiefgefrieren“ oder „Tiefkühlen“ werden industrielle Verfahren bezeichnet, während man für die Kältekonservierung in der häuslichen Kühltruhe eher den Begriff „Einfrieren“ benutzt. Durch den Entzug der Wärme durch schnelles Schockfrosten und das dadurch gestoppte Wachstum von Mikroorganismen können tiefgefrorene Lebensmittel mehrere Wochen, einige sogar über ein Jahr gelagert werden.

Durch die niedrige Temperatur von -18 °C und darunter gefriert das Wasser im Lebensmittel und bildet Kristalle. Mikroorganismen können sich bei diesen Temperaturen nicht mehr vermehren. Dadurch verlängert sich die Haltbarkeit. Allerdings verderben die gefrosteten Lebensmittel durch den Luftsauerstoff, so das eine Lagerung nicht beliebig erfolgen kann.

Durch die industrielle Schockfrostung (-25 °C und weniger) können sich weniger größere Eiskristalle bilden, welche Zellstrukturen der Lebensmittel aufbrechen können.

Beim langsamen Einfrieren zu Hause bilden sich dagegen oft große Eiskristalle, die die Zellstruktur des Gefrierguts in Mitleidenschaft ziehen. So tritt beim Auftauen von Fleisch sehr viel Saft aus, was zur Folge hat, dass sich Mikroorganismen wesentlich schneller vermehren können als bei schockgefrosteten Produkten. Bei der Lagerung in der Tiefkühltruhe müssen Lebensmittel luftdicht verschlossen sein, um einen Gefrierbrand zu vermeiden. Dieser entsteht, wenn Luft an das Lebensmittel herankommt, aber auch bei Temperaturschwankungen im Lebensmittel. Gefrierbrand ist nicht gefährlich oder ungesund, allerdings verändert sich die Konsistenz und der Geschmack des Gefrierguts. Fleisch kann sehr zäh werden, wenn es später zubereitet wird. Außerdem sieht es nicht besonders appetitlich aus.

Im industriellen Maßstab gilt es natürlich, Gefrierbrand zwingend zu vermeiden, da die Lebensmittel sonst schlichtweg unverkäuflich sind.

Eisbildung auf dem Gefriergut

Für die Entstehung von Eis auf dem Gefriergut muss die Temperatur der Lebensmittel bereits unterhalb des Gefrierpunktes liegen. Erst dann kann es an der Oberfläche zu Eisablagerungen kommen, wenn sie mit Umgebungsluft in Kontakt kommt. Dabei geht der in der Luft enthaltene Wasserdampf direkt in Eis über (Resublimation -> Übergang von der gasförmigen in die feste Phase). Je wärmer und je feuchter die Kontaktluft ist, desto mehr Wasserdampf enthält sie und desto mehr Eis kann sich auf der Oberfläche bilden.

Beim vereisten Tiefkühlschrank ist Abtauen angesagt. Industriell versucht man in Tiefkühlräumen, die Eisbildung der Nahrungsmittel durch geeignete Maßnahmen zu vermeiden und die Kühlkette beim Verpacken und dem Transport zum Supermarkt nicht zu unterbrechen.

Wie kann die Simulation der Industrie helfen?

Bei der Klimatisierung von Kühlhallen sollte die Temperatur in einer Halle möglichst gleichmäßig sein, ohne dass es beim Begehen zieht. Bei Logistikzentren, welche Kühlhallen, Gefrierhallen, Kältelager und Verpackungszonen umfassen, müssen Bereiche mit unterschiedlichen Temperaturen, so gut es geht, voneinander getrennt werden. Trotzdem gibt es Wärmebrücken wie Schleusen und Tore, die zu betrachten sind.

Dies sind klassische Aufgabenstellungen der Strömungsmechanik CFD, welche wir für große Lebensmittelkonzerne bereits seit mehreren Jahren durchführen.

Der Komplexität der Gebäude, Hallen, Kanäle, Wärmetauscher und Gebläse als auch des Detaillierungsgrades sind in der CFD-Simulation kaum Grenzen gesetzt. Wir betrachten in unseren Simulationen ganze Logistikzentren einschließlich Transportbänder, Schleusen usw.

Was Sie bauen können, können wir rechnen.

In vielen Fällen ist es schon ausreichend, die „kalteStrömung (d.h. ohne Temperatur) zu betrachten. Die wesentlichen Aussagen lassen sich bereits über ein entsprechendes CFD-Modell mit Hilfe der Strömungsberechnung gewinnen, bei der die Strömungsverteilung und die Geschwindigkeit bewertet werden. Nicht durchströmte Bereiche, sogenannte Totwassergebiete, aber auch Bereiche mit sehr hohen Strömungsgeschwindigkeiten (Zug) können so identifiziert werden. Anschließend kann eine Optimierung erfolgen, so dass Komfort und Energiekosten bei optimaler Kühlleistung und Temperierung im Einklang sind.

Nutzen Sie unsere langjährige Erfahrung, um Kühlhallen, Tiefkühlräume und Logistikzentren optimal, d.h. effizient und sparsam auszulegen. Wir freuen uns, von Ihnen zu hören.

Ihr Stefan Merkle

PS: Wir können auch das Schmelzen von Eis simulieren und ihnen sagen, um wieviel es schneller geht, wenn sie daheim an Ihrer vereisten Gefriertruhe den Fön benutzen.

PPS: Leider ist dies nicht ganz billig, da sehr rechenintensiv. Eine neue Gefriertruhe ist da meist günstiger.

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