Kryogenes Einfrieren von Lebensmitteln im Vergleich zum IQF-Einfrieren

In der Lebensmittelindustrie gilt das mechanische Gefrieren als seit langem etablierte Form der Gefriertechnik, während die kryogene Technologie als neue Alternative angesehen wird, insbesondere bei geringen Produktionsmengen und schwankenden Kapazitätsanforderungen. Zwar haben sich die Grundprinzipien des mechanischen Gefrierverfahrens seit seiner Erfindung vor über 100 Jahren nicht verändert, doch wurden die Komponenten, Materialien und Betriebssysteme auf den neuesten Stand der Technik gebracht und mit intelligenten Steuerungssystemen ausgestattet, um ein Höchstmaß an Lebensmittelsicherheit, geringen Wartungsaufwand und Energieeffizienz zu gewährleisten. Die modernen, hochtechnologischen mechanischen IQF-Tunnel (Individual Quick Freezing) sind ein Beleg für diese Entwicklung.

Was Sie über das Tiefkühlverfahren von Lebensmitteln wissen müssen:

Kryogene Systeme senken die Temperatur durch die direkte Einleitung eines Mediums – in der Regel Kohlendioxid oder flüssiger Stickstoff – in einen Behälter, in dem sich das Lebensmittel befindet, während mechanische Systeme ein im Kreislauf zirkulierendes Kältemittel in einem Luftkühler nutzen, das die Wärme aus der im Gefrierschrank zirkulierenden Luft abführt, um die Temperatur des Lebensmittels zu senken. Es gibt zwei Haupttypen von Kryogenanlagen, die als Alternative zu den IQF-Systemen eingesetzt werden: Sprüh- und Tauchverfahren. Beim ersten Verfahren wird ein Medium aus Kohlendioxid oder flüssigem Stickstoff auf die Lebensmittel gesprüht, die auf einem Förderband liegen, das durch den Gefrierraum läuft; dies hat den Vorteil einer schnellen Gefrierleistung und einer sehr geringen Feuchtigkeitsabgabe. Da die Lebensmittel jedoch nicht bewegt werden, besteht ein hohes Risiko der Klumpenbildung und des Festklebens der Produkte am Förderband, was dessen Reinigung erheblich erschwert. Die zweite Art ist eine äußerst effiziente Methode. Die Gefrierzeit ist extrem kurz und der Wasserverlust unübertroffen gering. Da die Produkte einzeln in ein Bad aus Kohlendioxid oder flüssigem Stickstoff eingetaucht werden, gibt es keine verschleißanfälligen Teile und der Gefrierschrank lässt sich sehr leicht reinigen. Der Nachteil des kryogenen Tauchverfahrens ist der sehr hohe Kältemittelverbrauch und die Abhängigkeit von der Versorgung mit dem Arbeitsmedium. Die hohe Gefriergeschwindigkeit wird oft als einer der Hauptvorteile eines kryogenen Systems angesehen, ebenso wie die kompakte Bauweise der Gefriergeräte, während mechanisches Gefrieren aufgrund der unterschiedlichen Kältemitteltemperatur als langsamer gilt und der große Platzbedarf der Gefriergeräte als Nachteil angesehen wird. Die heutigen mechanischen Gefrierschränke können jedoch sowohl hinsichtlich der Gefriergeschwindigkeit als auch des Platzbedarfs mit kryogenen Systemen mithalten.

Was Sie über das IQF-Gefrieren wissen müssen:

Der Vorteil von IQF-Gefrieranlagen liegt in den Systemen mit hoher Luftgeschwindigkeit, die ein extrem schnelles Einfrieren kleiner, flacher, unverpackter Lebensmittel wie Garnelen, Erbsen, Fleischwürfel oder gewürfeltes bzw. in Scheiben geschnittenes Obst und Gemüse ermöglichen. Durch die hohe Luftgeschwindigkeit wird das Produkt im kalten Luftstrom schwebend gehalten, wodurch jedes einzelne Stück separat gefroren wird, ohne dass Klumpen entstehen. Die zugehörige Kälteanlage für einen mechanischen Tiefkühlschrank kann in einem wetterfesten Gehäuse auf einem beweglichen Rahmen untergebracht werden. Im Gegensatz dazu verfügt ein kryogenes System über fest verlegte Rohrleitungen und erfordert einen großen externen Gasspeicher. Flexibilität ist für den Kunden wichtig; daher bauen Anlagenhersteller heute keine großen, fest installierten Systeme mehr, sondern kompakte, modulare Anlagen auf mobilen Gestellen mit geringem Platzbedarf.

Einige häufige Nachteile des kryogenen Einfrierens von Lebensmitteln:

- Kugellager und Riemen erfordern aufgrund der kalten Umgebung einen erheblichen Wartungsaufwand - hoher Kältemittelverbrauch und Abhängigkeit von der Versorgung mit diesem Medium - Fußböden können durch austretendes Kältemittel beschädigt werden - Ausströmender Stickstoff verursacht Nebel oder Wolken im Werk, wodurch die Sicht beeinträchtigt wird - lange Vertragslaufzeit In einem kryogenen System besteht das Produktförderband aufgrund der extrem niedrigen Temperaturen im Gefrierbereich aus Edelstahl, weshalb das Band stets einem erheblichen Wartungsaufwand unterliegt. Der Vorteil eines mechanischen Systems besteht darin, dass das Förderband auch aus lebensmittelechtem, für niedrige Temperaturen geeignetem Kunststoff gefertigt werden kann. Kunststoff ermöglicht ein leichteres Ablösen nasser Lebensmittel und lässt sich leichter reinigen, was der Hygiene zugutekommt. Zudem stehen verschiedene Ausführungen von Kunststoff-Modulbändern für unterschiedliche Lebensmittelarten und Luftströme zur Verfügung.

Geräte im Fokus: IQF-Gefrierschrank

Vertreter der Kryogen-Gefriertechnik argumentieren in der Regel, dass die Größe und Komplexität eines IQF-Gefriergeräts mehr Personal für die Reinigung des Systems erfordert; tatsächlich lassen sich mechanische Gefriergeräte jedoch oft leichter reinigen, da das Personal sowohl innerhalb als auch außerhalb des Gehäuses Zugang hat. Darüber hinaus haben automatisierte CIP-Systeme (Clean in Place) die Notwendigkeit einer manuellen Reinigung mechanischer Gefrieranlagen überflüssig gemacht. Obwohl für die Anmietung einer Kryogenanlage nur geringe oder gar keine Kapitalinvestitionen erforderlich sind, wirken sich die hohen Produktionskosten des Flüssiggases direkt auf die Gaskosten des Lebensmittelherstellers aus. Die laufenden Betriebskosten eines Kryogen-Gefrierschranks können erheblich höher sein als die eines IQF-Gefrierschranks, und oft haben Lebensmittelhersteller keine Alternative zu ihrem Gaslieferanten. Kryogen-Gefrierschränke weisen zwar niedrige Betriebskosten hinsichtlich des Energieverbrauchs auf, doch sind die Kosten für das Flüssiggas hoch und schwanken stark. Zudem sind die CO₂-Emissionen bei der Flüssiggasproduktion unter dem Gesichtspunkt der Umweltkosten zu berücksichtigen. IQF-Gefrieranlagen bieten gegenüber kryogenen Systemen mehr Vorteile hinsichtlich Umweltverträglichkeit, Energieeffizienz und Betriebskosten. IQF-Gefrieranlagen können mit natürlichen Gasen wie Ammoniak betrieben werden, einem umweltfreundlichen Kältemittel ohne Ozonabbaupotenzial und ohne Beitrag zur globalen Erwärmung. Darüber hinaus lässt sich der Energieverbrauch durch den Einsatz von Optimierungstechnologien und spezieller Software zur Steuerung des Betriebs von Kompressor und Verflüssiger senken. Auch wenn die Investitionskosten für eine Kryogen-Gefrieranlage gering sind, enthält der Vertrag in der Regel Angaben zum Mindestverbrauch und zur Vertragslaufzeit. Die Kündigung eines Vertrags kann mehrere Jahre in Anspruch nehmen und muss ein Jahr im Voraus angekündigt werden. Ein Leasingvertrag für einen mechanischen IQF-Gefrierschrank läuft nach einigen Jahren aus. Die durchschnittliche Amortisationszeit für mechanische Gefrieranlagen liegt bei etwa drei bis vier Jahren, wobei sich die Investition bei einigen Produktanwendungen bereits in weniger als zwei Jahren amortisiert.

Vorteile des kryogenen Einfrierens:

- geringe Investitionskosten - sehr geringer Flüssigkeitsverlust Die Investitionskosten für ein Kryogeniksystem sind gering, da die Anbieter ihre Anlagen kostenlos bereitstellen und vermieten; allerdings fallen monatliche Kosten für den Gastank an, sodass der Lebensmittelhersteller von der Gasversorgung abhängig ist. Wenn der Lebensmittelhersteller nach einer kurzfristigen Gefrierlösung mit geringer Kapazität und geringem Kapitalaufwand sucht, ist die Anmietung eines Kryogeniksystems gerechtfertigt. Allerdings sollten die Gesamtkosten für die tatsächlich benötigte Gasmenge zum Einfrieren jedes Kilogramms des Produkts berücksichtigt werden. Zudem ist die Gasversorgung je nach Standort des Lebensmittelverarbeiters aufgrund von Transport- und anderen logistischen Faktoren möglicherweise nicht immer regelmäßig gewährleistet. Die Investition in eine IQF-Gefrieranlage ist für Unternehmen sinnvoll, die nach mittel- bis langfristigen Lösungen suchen. Die Flexibilität eines mechanischen IQF-Systems bietet die Möglichkeit, den Gefrierschrank im Laufe der Zeit durch Anpassungen von Temperatur, Luftstrom, Bandmaschenweite und Durchlaufkonfiguration an eine breite Palette von Produkten anzupassen. Die Länge eines kryogenen Gefriersystems kann zur Steigerung der Kapazität erweitert werden, doch ein mechanisches System bietet mehr Flexibilität bei der Fertigung. Ein starkes Argument für das kryogene Einfrieren ist der geringe Wasserverlust. Unter kryogenem Einfrieren versteht man ein sehr schnelles Einfrieren, das dadurch erreicht wird, dass die Lebensmittel einem extrem kalten Medium ausgesetzt werden, das einen Phasenübergang durchläuft. Die mit kryogenen Verfahren erzielte Gefriergeschwindigkeit ist wesentlich höher als bei der Luftgefrier- oder Plattengefriermethode, jedoch nur geringfügig höher als bei der Fließbettgefriermethode. Der Wasserverlust des Produkts liegt in der Regel deutlich unter 1 %. Beide Gefriertechnologien weisen für den jeweiligen Hersteller Vor- und Nachteile auf, die vom jeweiligen Lebensmittelprodukt und den zukünftigen Zielen des Herstellers abhängen sollten.