Anwendungen und Vorteile von Plattenwärmetauschern in der Getränke- und Lebensmittelindustrie

1. Einleitung

In der Getränke- und Lebensmittelindustrie ist die Aufrechterhaltung der Produktqualität, die Gewährleistung der Lebensmittelsicherheit und die Optimierung der Produktionseffizienz von größter Bedeutung. Plattenwärmetauscher haben sich aufgrund ihres einzigartigen Designs und ihrer zahlreichen Vorteile zu einem entscheidenden Ausrüstungsteil in dieser Branche entwickelt. Sie spielen eine wichtige Rolle in verschiedenen Prozessen wie Erhitzen, Kühlen, Pasteurisieren und Sterilisieren und erfüllen die spezifischen Anforderungen der Lebensmittel- und Getränkeproduktion.

2. Funktionsprinzip von Plattenwärmetauschern

Ein Plattenwärmetauscher besteht aus einer Reihe dünner, gewellter Metallplatten, die gestapelt und miteinander abgedichtet sind. Diese Platten bilden schmale Kanäle, durch die zwei verschiedene Flüssigkeiten fließen. Eine Flüssigkeit, typischerweise das zu verarbeitende Produkt (z. B. ein Getränk oder ein Lebensmittelbestandteil), und die andere ist das Wärmeaustauschmedium (wie heißes Wasser, Dampf zum Heizen oder kaltes Wasser, Kältemittel zum Kühlen).

Die Flüssigkeiten fließen in einem abwechselnden Muster zwischen den Platten. Dabei wird Wärme über die dünnen Plattenwände von der heißeren Flüssigkeit auf die kühlere Flüssigkeit übertragen. Das gewellte Design der Platten dient mehreren Zwecken. Erstens erhöht es die Oberfläche, die für den Wärmeaustausch zur Verfügung steht, und verbessert so die Effizienz des Wärmeaustauschprozesses. Zweitens fördert es Turbulenzen im Flüssigkeitsstrom. Turbulenzen sorgen dafür, dass sich die Flüssigkeiten innerhalb ihrer jeweiligen Kanäle effektiver vermischen, wodurch die Bildung von Grenzschichten, in denen der Wärmeübergang weniger effizient ist, reduziert wird. Selbst bei relativ niedrigen Reynolds-Zahlen (normalerweise im Bereich von 50 - 200) können die gewellten Platten ausreichend Turbulenzen erzeugen, was zu einem hohen Wärmeübergangskoeffizienten führt. Dieser Koeffizient gilt im Allgemeinen als 3- bis 5-mal höher als der von herkömmlichen Rohrbündelwärmetauschern.

3. Anwendungen in der Getränke- und Lebensmittelindustrie

3.1 Heizanwendungen

3.1.1 Getränkezubereitung

· Herstellung von Heißgetränken: Bei der Herstellung von Heißgetränken wie Kaffee, Tee und heißer Schokolade werden Plattenwärmetauscher verwendet, um die flüssigen Zutaten auf die entsprechende Temperatur zu erhitzen. In einer Kaffeefabrik muss beispielsweise das Wasser, das zum Brühen von Kaffee verwendet wird, auf eine bestimmte Temperatur erhitzt werden, typischerweise etwa 90 - 96 °C, um eine optimale Aromaextraktion zu erzielen. Plattenwärmetauscher können das Wasser schnell und effizient auf diesen Temperaturbereich erhitzen und so eine gleichbleibende Qualität bei jeder produzierten Kaffeecharge gewährleisten.

· Erhitzen von Sirup und Konzentrat: Sirupe, die bei der Herstellung von Erfrischungsgetränken, Fruchtsäften und anderen Getränken verwendet werden, müssen oft erhitzt werden, um eine bessere Vermischung und Verarbeitung zu gewährleisten. Plattenwärmetauscher können diese Sirupe auf die erforderliche Temperatur erhitzen, die je nach spezifischer Formulierung zwischen 50 und 80 °C liegen kann. Dieser Erhitzungsprozess hilft beim Auflösen verbleibender Feststoffe, verbessert die Homogenität des Sirups und erleichtert das anschließende Mischen mit anderen Zutaten.

3.1.2 Lebensmittelverarbeitung

· Kochen und Backen von Zutaten: In der Lebensmittelproduktion müssen verschiedene Zutaten wie Soßen, Teige und Füllungen während des Koch- oder Backvorgangs erhitzt werden. Plattenwärmetauscher können verwendet werden, um diese Zutaten gleichmäßig zu erhitzen. In einer Bäckerei muss beispielsweise die Füllung für Kuchen oder Gebäck möglicherweise auf eine bestimmte Temperatur erhitzt werden, um Enzyme zu aktivieren oder eine richtige Textur und Geschmacksentwicklung zu gewährleisten. Plattenwärmetauscher können die für solche Anwendungen erforderliche präzise und effiziente Erwärmung liefern.

· Erhitzen von Milchprodukten: In der Milchindustrie müssen Milch und andere Milchprodukte möglicherweise für Prozesse wie die Käseherstellung erhitzt werden. Bei der Käseherstellung wird Milch in der Regel auf eine bestimmte Temperatur von etwa 30 - 40 °C erhitzt, um die Aktivität von Lab oder anderen Gerinnungsmitteln zu fördern. Plattenwärmetauscher können die Erhitzung von Milch genau steuern und so gleichbleibende Ergebnisse bei der Käseherstellung gewährleisten.

3.2 Kühlanwendungen

3.2.1 Getränkekühlung

· Kühlung von Erfrischungsgetränken und Säften: Nach der Herstellung von Erfrischungsgetränken und Fruchtsäften müssen diese auf eine geeignete Temperatur zum Abfüllen oder Verpacken abgekühlt werden. Plattenwärmetauscher können diese Getränke schnell von der Produktionstemperatur, die etwa 20 - 30 °C betragen kann, auf eine Temperatur nahe der Kühltemperatur, typischerweise 4 - 10 °C, abkühlen. Diese schnelle Abkühlung trägt dazu bei, die Frische, den Geschmack und die Karbonisierung (im Falle von kohlensäurehaltigen Getränken) der Getränke zu erhalten.

· Bierkühlung: Im Brauprozess muss das Bier nach der Gärung auf eine niedrige Temperatur zur Lagerung und Reifung abgekühlt werden. Plattenwärmetauscher werden verwendet, um das Bier von der Gärtemperatur (normalerweise etwa 18 - 25 °C) auf eine Lagertemperatur von etwa 0 - 4 °C abzukühlen. Dieser Kühlprozess trägt dazu bei, das Bier zu klären, die Aktivität von Hefe und anderen Mikroorganismen zu reduzieren und die Stabilität und Haltbarkeit des Biers zu verbessern.

3.2.2 Lebensmittelkühlung

· Kühlung von Fertiggerichten: Fertiggerichte wie gekochte Mahlzeiten, Suppen und Soßen müssen schnell abgekühlt werden, um das Wachstum schädlicher Bakterien zu verhindern. Plattenwärmetauscher können die Temperatur dieser Lebensmittel schnell von der Kochtemperatur (z. B. 80 - 100 °C) auf eine sichere Lagertemperatur, in der Regel unter 10 °C, senken. Diese schnelle Abkühlung, auch als Schockkühlung bezeichnet, trägt dazu bei, die Qualität, Textur und den Nährwert der Lebensmittel zu erhalten.

· Kühlung von Milchprodukten: Milchprodukte wie Milch, Joghurt und Speiseeismischungen müssen gekühlt werden, um das Wachstum von Bakterien zu kontrollieren und die gewünschte Konsistenz zu erreichen. Plattenwärmetauscher werden verwendet, um Milch nach der Pasteurisierung von etwa 72 - 75 °C (Pasteurisierungstemperatur) auf 4 - 6 °C zur Lagerung abzukühlen. Bei der Speiseeisherstellung wird die Speiseeismischung mit Plattenwärmetauschern in Kombination mit Kühlsystemen auf eine sehr niedrige Temperatur von etwa - 5 bis - 10 °C abgekühlt.

3.3 Pasteurisierungs- und Sterilisierungsanwendungen

3.3.1 Getränkepasteurisierung

· Fruchtsaftpasteurisierung: Plattenwärmetauscher werden häufig zum Pasteurisieren von Fruchtsäften verwendet. Der Prozess beinhaltet das Erhitzen des Saftes auf eine bestimmte Temperatur, in der Regel etwa 85 - 95 °C, für einen kurzen Zeitraum, typischerweise 15 - 30 Sekunden, um schädliche Mikroorganismen wie Bakterien, Hefen und Schimmelpilze abzutöten. Dies trägt dazu bei, die Haltbarkeit des Saftes zu verlängern und gleichzeitig seinen natürlichen Geschmack, seine Farbe und seine Nährstoffe zu erhalten. Nach der Pasteurisierung wird der Saft mit demselben Plattenwärmetauscher schnell abgekühlt, um ein Überhitzen und weiteres mikrobielles Wachstum zu verhindern.

· Bierpasteurisierung: In der Bierindustrie werden Plattenwärmetauscher zum Pasteurisieren von abgefülltem oder in Dosen abgefülltem Bier verwendet. Das Bier wird einige Minuten lang auf eine Temperatur von etwa 60 - 65 °C erhitzt, um verbleibende Hefe oder Bakterien zu inaktivieren. Dies stellt sicher, dass das Bier während der Lagerung und des Vertriebs stabil bleibt, ohne zu verderben oder Fehlgeschmäcker zu entwickeln.

3.3.2 Lebensmittelpasteurisierung und -sterilisation

· Milchpasteurisierung: Die Pasteurisierung von Milch ist ein kritischer Prozess in der Milchindustrie, um die Sicherheit der Verbraucher zu gewährleisten. Plattenwärmetauscher werden verwendet, um Milch auf eine Temperatur von 72 - 75 °C für mindestens 15 Sekunden (Hochtemperatur-Kurzzeit-Pasteurisierung - HTST) oder 63 - 65 °C für 30 Minuten (Niedrigtemperatur-Langzeit-Pasteurisierung - LTLT) zu erhitzen. Dadurch werden die meisten in der Milch vorhandenen pathogenen Bakterien wie Salmonellen, Listerien und E. coli abgetötet, während die ernährungsphysiologischen und sensorischen Eigenschaften der Milch erhalten bleiben.

· Sterilisation von Konserven: Für Konserven können Plattenwärmetauscher im Vorsterilisationsprozess eingesetzt werden. Das Lebensmittelprodukt wird zusammen mit der Dose für kurze Zeit auf eine sehr hohe Temperatur, in der Regel über 120 °C, erhitzt, um eine kommerzielle Sterilisation zu erreichen. Dieser Prozess tötet alle Arten von Mikroorganismen, einschließlich Sporen, ab und gewährleistet so eine lange Haltbarkeit der Konserve. Nach der Sterilisation werden die Dosen mit dem Plattenwärmetauscher schnell abgekühlt, um ein Überkochen der Lebensmittel zu verhindern.

4. Vorteile von Plattenwärmetauschern in der Getränke- und Lebensmittelindustrie

4.1 Hohe Wärmeübertragungseffizienz

Wie bereits erwähnt, führt das einzigartige gewellte Plattendesign von Plattenwärmetauschern zu einem hohen Wärmeübergangskoeffizienten. Die vergrößerte Oberfläche und die erhöhten Turbulenzen ermöglichen eine schnelle Wärmeübertragung zwischen den beiden Flüssigkeiten. Diese hohe Effizienz bedeutet, dass weniger Energie benötigt wird, um die gewünschte Temperaturänderung im Lebensmittel- oder Getränkeprodukt zu erreichen. Beispielsweise kann der Einsatz von Plattenwärmetauschern in einer groß angelegten Getränkeproduktionsanlage den Energieverbrauch für Heiz- und Kühlprozesse im Vergleich zu weniger effizienten Wärmetauschertypen erheblich senken. Dies spart nicht nur Energiekosten, sondern trägt auch zu einem nachhaltigeren und umweltfreundlicheren Produktionsprozess bei.

4.2 Kompaktes Design und Platzersparnis

Plattenwärmetauscher haben ein sehr kompaktes Design. Die gestapelten Platten nehmen im Vergleich zu herkömmlichen Rohrbündelwärmetauschern mit gleicher Wärmeübertragungskapazität viel weniger Platz ein. In der Getränke- und Lebensmittelindustrie, in der die Produktionsstätten möglicherweise räumlich begrenzt sind, ist diese Kompaktheit ein großer Vorteil. Eine kleinere Stellfläche ermöglicht eine effizientere Nutzung der Produktionsfläche und ermöglicht die Installation anderer notwendiger Geräte oder die Erweiterung von Produktionslinien. Darüber hinaus macht die Leichtbauweise von Plattenwärmetauschern durch die Verwendung dünner Metallplatten sie bei Bedarf leichter zu installieren und zu versetzen.

4.3 Einfache Reinigung und Wartung

In der Lebensmittel- und Getränkeindustrie ist die Einhaltung hoher Hygienestandards unerlässlich. Plattenwärmetauscher sind so konzipiert, dass sie leicht zu reinigen sind. Die glatte Oberfläche der Platten und das Fehlen komplexer interner Strukturen verringern die Wahrscheinlichkeit von Produktablagerungen und Verschmutzungen. Die meisten Plattenwärmetauscher können leicht demontiert werden, wodurch eine gründliche Reinigung jeder einzelnen Platte ermöglicht wird. Dies ist entscheidend, um das Wachstum von Bakterien und anderen Mikroorganismen zu verhindern, die die Lebensmittel- oder Getränkeprodukte kontaminieren könnten. Darüber hinaus sind viele moderne Plattenwärmetauscher mit Clean-in-Place-Systemen (CIP) kompatibel. CIP-Systeme können den Wärmetauscher automatisch reinigen, ohne dass eine manuelle Demontage erforderlich ist, wodurch das Kontaminationsrisiko weiter reduziert und Zeit und Arbeitsaufwand beim Reinigungsprozess gespart werden.

4.4 Vielseitigkeit

Plattenwärmetauscher sind sehr vielseitig und können an eine Vielzahl von Anwendungen in der Getränke- und Lebensmittelindustrie angepasst werden. Die Anzahl der Platten im Wärmetauscher kann an unterschiedliche Wärmeübertragungsanforderungen angepasst werden. Wenn beispielsweise ein Getränkeunternehmen seine Produktionskapazität erhöhen möchte, können dem Plattenwärmetauscher zusätzliche Platten hinzugefügt werden, um das größere Produktvolumen zu bewältigen. Darüber hinaus können Plattenwärmetauscher mit einer Vielzahl von Flüssigkeiten verwendet werden, einschließlich solcher mit unterschiedlichen Viskositäten, pH-Werten und chemischen Zusammensetzungen. Dies macht sie für die Verarbeitung von allem geeignet, von dünnen, niedrigviskosen Getränken wie Wasser und Erfrischungsgetränken bis hin zu dicken, hochviskosen Lebensmitteln wie Soßen und Pürees.

4.5 Wirtschaftlichkeit

Die Kombination aus hoher Wärmeübertragungseffizienz, kompaktem Design und einfacher Wartung macht Plattenwärmetauscher zu einer kostengünstigen Wahl für die Getränke- und Lebensmittelindustrie. Der reduzierte Energieverbrauch führt zu niedrigeren Betriebskosten. Die kompakte Größe bedeutet niedrigere Installationskosten, da weniger Platz für die Geräte benötigt wird. Die einfache Wartung und lange Lebensdauer von Plattenwärmetauschern führen auch zu geringeren Gesamtwarte- und Ersatzkosten. Darüber hinaus trägt die Fähigkeit, den Wärmetauscher an sich ändernde Produktionsanforderungen ohne nennenswerte Investitionen anzupassen, weiter zu seiner Wirtschaftlichkeit bei.

4.6 Lebensmittelsicherheit und Qualitätserhaltung

Die präzise Temperaturregelung, die Plattenwärmetauscher bieten, ist entscheidend für die Erhaltung der Qualität und Sicherheit von Lebensmitteln und Getränken. Bei Prozessen wie Pasteurisierung und Sterilisation sind eine genaue Temperatur- und Zeitkontrolle unerlässlich, um schädliche Mikroorganismen abzutöten und gleichzeitig die Auswirkungen auf den Geschmack, die Farbe und den Nährwert des Produkts zu minimieren. Plattenwärmetauscher können die exakte Kombination aus Temperatur und Haltezeit liefern, die für diese Prozesse erforderlich ist, und sicherstellen, dass das Endprodukt die höchsten Standards für Lebensmittelsicherheit und -qualität erfüllt. Beispielsweise tragen bei der Pasteurisierung von Fruchtsäften das schnelle Erhitzen und Kühlen, das durch Plattenwärmetauscher bereitgestellt wird, dazu bei, den natürlichen Geschmack und die Vitamine des Saftes zu erhalten und gleichzeitig potenzielle Krankheitserreger wirksam zu eliminieren.

5. Fazit

Plattenwärmetauscher sind zu einem unverzichtbaren Bestandteil der Getränke- und Lebensmittelindustrie geworden. Ihre breite Palette an Anwendungen, vom Heizen und Kühlen bis zur Pasteurisierung und Sterilisation, macht sie zu einer vielseitigen Lösung für verschiedene Produktionsprozesse. Die zahlreichen Vorteile, die sie bieten, darunter hohe Wärmeübertragungseffizienz, kompaktes Design, einfache Reinigung und Wartung, Vielseitigkeit, Wirtschaftlichkeit und die Fähigkeit, die Lebensmittelsicherheit und -qualität zu erhalten, haben sie zur bevorzugten Wahl für Lebensmittel- und Getränkehersteller gemacht. Da die Branche weiter wächst und sich weiterentwickelt, mit steigenden Anforderungen an höhere Produktionseffizienz, bessere Produktqualität und strengere Lebensmittelsicherheitsvorschriften, werden Plattenwärmetauscher in Zukunft wahrscheinlich eine noch wichtigere Rolle in der Getränke- und Lebensmittelindustrie spielen.