Bei der Lebensmittelverarbeitung vermindert eine hohe Produktviskosität den Wirkungsgrad von Pumpen und Wärmetauschern, was den Durchsatz reduziert. Das gilt zum Beispiel für die Pasteurisierung von dickflüssigem Orangensaftkonzentrat. Gegensteuern lässt sich mit dem gleichzeitigen Einsatz eines leistungsstarken Plattenwärmetauschers und einer Drehkolben-Förderpumpe. Verglichen mit konventionellen Lösungen sinkt der Energieverbrauch um bis zu ein Viertel.
Je nach Fruchtsorte und Zielmarkt gehen viele Säfte zur Senkung der Transportkosten als Konzentrat in den Export. Von den weltweit 20,6 Millionen Tonnen reinem Fruchtsaft, die 2017 konsumiert wurden, stammten laut dem Marktforschungsunternehmen Euromonitor rund 70 Prozent aus Konzentrat. Zu den Verfahren der Saftkonzentration gehören Vakuumverdampfung, Gefrierkonzentration und Umkehrosmose. Um die Haltbarkeit während des Transports und der Lagerung zu gewährleisten, werden Direktsäfte und Saftkonzentrate pasteurisiert oder wärmebehandelt/ultrahochtemperiert (UHT). Beide Verfahren haben wegen des Energieeinsatzes einen direkten Einfluss auf die Produktionskosten. Zur Senkung des Energieverbrauchs verwenden die meisten Orangensafthersteller gedichtete Plattenwärmetauscher (GPHE – Gasketed Plate Heat Exchangers).
Gedichtete Plattenwärmetauscher sind für den Einsatz bei der Verarbeitung von Flüssigkeiten verschiedenster Konsistenz sehr gut geeignet. Ihre Leistung hängt jedoch stark von der Produktviskosität ab. Aus wirtschaftlicher Sicht ist es daher entscheidend, das Design der Pasteurisierung mit den Plattenwärmetauschern an die jeweiligen Säfte anzupassen.
Energieverbrauch in der Förderpumpe und im Wärmetauscher
Bei einer schonenden Wärmebehandlung wie der Fruchtsaftpasteurisierung erfolgt der Energieverbrauch auf zwei Ebenen. Zum einen nutzt die Förderpumpe Strom, um den für den Betrieb des Wärmetauschers erforderlichen Durchfluss und Druck herzustellen. Zum anderen erwärmt der Wärmetauscher selbst den Saft mit Dampf oder Heißwasser und benötigt anschließend kaltes Wasser zur Kühlung.
Der Wärmetauscher ist in drei Sektionen unterteilt, die zur Pasteurisierung, zur Wärmerückgewinnung und zur Kühlung dienen. Während der Pasteurisierung erwärmt der GPHE den Saft, um Mikroorganismen abzutöten. Danach wird der Saft im Regenerationsabschnitt gekühlt, indem die Wärme auf den in den GPHE eintretenden Kaltsaft übertragen wird. Die zusätzlichen Heiz- und Kühlstrecken kompensieren den Energieverlust. Der Wärmerückgewinnungsgrad eines GPHE entspricht dem Prozentsatz der rückgewonnenen Energie und liegt bei Saftanwendungen meist im Bereich von 60-85 Prozent. Durch Hinzufügen oder Entfernen von Platten in der Wärmerückgewinnung lässt sich der Regenerationskoeffizient steuern.
Das Strömungsprofil im Wärmetauscher ist ein weiterer wesentlicher Parameter der Energieeffizienz. Ist das Profil laminar, bewegen sich Flüssigkeiten in Schichten parallel zur Verschieberichtung, was zu einer nicht optimalen Wärmeübertragung zwischen Flüssigkeit und dem Heizmedium führt. Turbulente Strömungen führen hingegen zu einer wesentlich effizienteren Wärmeübertragung. Ist die Viskosität der Flüssigkeit hoch, wird die Strömung laminarer, während bei hoher Flüssigkeitsgeschwindigkeit die Strömung turbulenter wird.
Je höher die Viskosität, desto höher der Energieverbrauch
Abhängig von verschiedenen Faktoren wie Fruchtsorte, Extraktionsmethode, Fruchtfasern und dem Konzentrationsgrad kann die Viskosität von Säften und Saftkonzentraten stark variieren. In einer Pasteurisierungsanlage für Dünnsäfte erzeugt die Behandlung viskoser Produkte wie Konzentrate oder Nektare eine laminare Strömung mit ungünstiger Wärmeübertragung. Die Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit kann eine turbulente Strömung erzeugen und aufrechterhalten, um eine hohe Wärmeübertragungseffizienz zu erreichen. Durch Einstellen der Plattenanzahl im Wärmetauscher lassen sich der Druckabfall und damit die Strömungsgeschwindigkeit erhöhen. Entscheidend ist dabei die Auswahl des Pumpentyps. Bei Fluiden mit Viskositäten über 100 cP ist das Verhältnis zwischen Druckabfall (oder Fluidgeschwindigkeit) und Leistungsaufnahme bei konstanter Strömung bei einer Drehkolbenpumpe linear.
Um die finanziellen Auswirkungen von GPHE und dem jeweiligen Pumpentyp bei der Saftpasteurisierung zu ermitteln, untersuchte ein Forschungsteam von Alfa Laval über einen Zeitraum von zehn Jahren den Einfluss dieser Komponenten auf die Betriebskosten in einer typischen Saftverarbeitungsanlage. Die Experten verglichen den Energieverbrauch von vier verschiedenen Pasteurisierungslinien. Getestet wurden Plattenwärmetauscher (Niederdruck- und Hochdruckdichtungsausführungen) in wechselnden Kombinationen mit Förderpumpen (Zentrifugal- und Drehkolbenausführungen). Die Auswahl der Pumpengröße war so konzipiert, dass die bestmögliche Anordnung sowohl für den Pasteurisierungsprozess als auch für die Reinigung vor Ort (CIP – Cleaning in Place) erreicht wurde.
GPHE mit hohem Druckverlust spart Energie
Das Ergebnis: Über einen Zeitraum von zehn Jahren reduzierte ein für hohen Druckverlust ausgelegter GPHE die Gesamtbetriebskosten um mehr als 20 Prozent im Vergleich zum Referenz-GPHE-Design mit niedrigem Druckverlust. Der Return on Investment wurde so innerhalb weniger Monate realisiert. Ein weiterer Vorteil der Wahl eines GPHE-Designs mit hohem Druckverlust: eine 50-prozentige Reduzierung des CIP-Durchflusses von 40 m³/h auf 20 m³/h. Dies senkt die Reinigungskosten und minimiert die Umweltbelastung durch Wasser und chemische Abwässer.
Bei der Auswahl einer GPHE-Ausführung mit niedrigem Druckverlust bringt der Einsatz einer Drehkolbenpumpe keine spürbaren Vorteile gegenüber der Verwendung einer Kreiselpumpe; die Gesamtbetriebskosten über einen Zeitraum von zehn Jahren sind ähnlich. Die Wahl eines hohen Druckabfall-GPHE-Designs hingegen führt zu einer zusätzlichen Senkung der Gesamtbetriebskosten um 1,5 Prozent. Darüber hinaus erhöht der Einsatz einer Drehkolbenpumpe die Vielseitigkeit der Anlage und erleichtert die Handhabung von zähflüssigen Saftarten wie Nektaren, ohne die Durchflussmenge zu verringern oder den Energieverbrauch zu erhöhen. Obwohl sich Kreiselpumpen während des CIP-Betriebs als energieeffizienter erwiesen, sind die Einsparungen im Vergleich zur Drehkolbenpumpen während des Pasteurisierungsprozesses marginal. Im Lauf von zehn Betriebsjahren der Förderpumpe überwog die Zeit für den CIP-Betrieb deutlich.
Förderpumpe und Wärmetauscher richtig kombiniert
Durch die Wahl der richtigen Kombination aus energieeffizientem Plattenwärmetauscher und Pumpe ist es möglich, bereits im ersten Betriebsjahr eine Amortisierung zu realisieren. Dazu müssen die eingesetzten Geräte jedoch außergewöhnlich leistungsstark sein und einen einwandfreien Betrieb gewährleisten. Dank einer sehr robusten Konstruktion können die serienmäßigen Alfa Laval SRU Drehkolbenpumpen mit einem Druck von bis zu 10 bar betrieben werden. Auf Anfrage werden die Pumpen auch für die Förderung mit 20 bar Druck ausgelegt.
Die sehr geringe Toleranz zwischen Rotor und Stator minimiert den Schlupf bei hohem Druck und sorgt für einen hohen Pumpenwirkungsgrad. Dies ermöglicht den Einsatz einer kleineren Pumpe und reduziert die Investitionskosten. Auch die Umwelt profitiert, weil die Anlage über ihre gesamte Lebensdauer Abwässer und Kohlendioxidemissionen minimiert. Die Untersuchung von Orangensaftkonzentrat in der hier vorgestellten Pasteurisierung lässt sich auf andere Arten von mittelviskosen Lebensmittelzubereitungen im Bereich von 100 bis 1000 cP hochrechnen. Dazu gehören Cremes, Toppings, Molkenproteinlösungen oder andere Extrakte.
Gastbeitrag von Murat Boztepe, Business Development Manager Getränkeindustrie bei Alfa Laval Mid Europe
