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Hochschule Bremerhaven

Tiefgefrieren und Tiefgefrierverfahren

Tiefgefrieren und Tiefgefrieren und Tiefgefrierverfahren von Tiefgefrierverfahren von tierischen Lebensmittelntierischen Lebensmitteln

Speziell Produkt Technologie Speziell Produkt Technologie

InhaltsübersichtInhaltsübersicht

Geschichte der Kältetechnik Definitionen Tiefgefrierprozess Tiefgefrierverfahren Verpackung Weitertransport Lebensmittelrechtliche Vorschriften

Geschichte der KältetechnikGeschichte der Kältetechnik

Verlängerung der Haltbarkeit durch Anwendung tiefer Temperaturen - Unterirdische Keller- Kalte Quellen- Schnee

20. Jahrhundert: erstmaliges Einsetzen von Kälte als konventionelles Haltbarmachungsverfahren

Entwicklung der KältetechnikEntwicklung der Kältetechnik16.Jahrhundert Kältemischung aus Eis, Wasser und Kochsalz

19.Jahrhundert Kompressorkühlschränke

1874 Kältemaschine durch Ammoniakverflüssigung mittels Kompression durch Carl von Linde

1911 Industrielle Haltbarmachung von Lebensmitteln

durch 30%ige Sole als Kältemittel

1914 - 1945 Weißblech knapp – Unterstützung der Kühlindustrie durch Fördermittel der Regierung

nach 1945 Aufbau einer Tiefkühlkette durch REWE und EDEKA

Pro-kopf-Verbrauch an Tiefkühlkost Pro-kopf-Verbrauch an Tiefkühlkost in Deutschland in kgin Deutschland in kg/a/a

Absatzentwicklung in Deutschland in tAbsatzentwicklung in Deutschland in t

Warum?Warum?

Schonendste Verfahren zur KonservierungVerzögerung von biochemischen ReaktionenEinstellen der MikroorganismenwachstumsLängere Haltbarkeit im Vergleich zu anderen Verfahren

DefinitionenDefinitionen

KühlenKühlen

Lagerung bei Temperaturen knapp oberhalb von 0°C

chemische Veränderungen verlangsamt

T = 0°C bis +10°C

GefrierenGefrieren

Lagerung bei Temperaturen unterhalb 0°C

kaum wirtschaftliche Bedeutung

T = 0°C bis -18°C

TiefgefrierenTiefgefrieren

Synonym: frosten

Herunterkühlen des Lebensmittels auf Temperaturen unter den Gefrierpunkt

Prozess läuft in mehreren Stufen ab

Beendigung, wenn T < -18°C ist

Tiefgefrorene LebensmittelTiefgefrorene Lebensmittel

Lebensmittel, die von der Herstellung bis zur Abgabe an den

Endverbraucher eine Temperatur von -18°C aufweisen müssen

zum Verzehr Erhitzung auf Verzehrstemperatur

TemperaturTemperatur

früher: -10°C

Ende der 30er Jahre: Festlegung der einzuhaltenden Temperatur auf 0°F(-17,8°C)

TiefkühlketteTiefkühlkette

alle Stationen von der Herstellung bis zur Abgabe an den Endverbraucher

GefrierzeitGefrierzeit

Zeit vom Eindringen des zu gefrierenden Lebensmittel bis zum Erreichen der Endtemperatur

abhängig von Dicke, Form, Wärmeleitfähigkeit des Produktes

GefriergeschwindigkeitGefriergeschwindigkeitInternationales Institut für Kältetechnik:

l = kürzester Abstand zwischen Oberfläche und Kern in cmt = erforderliche Zeit, um Temperatur von 0°C auf -10°C zu erniedrigen

Gefrieren im Gefrierraum mit bewegter Luft 0,1 cm/hGefrieren im Tunnel mit bewegter Luft 0,3 – 1,5 cm/hKontaktgefrieren 1,2 – 2,5 cm/hSchnellgefrieren 1,5 – 3,0 cm/hGefrieren in verflüssigten Gasen 3,0 – 10,0 cm/h

tlwn in

schnell

TiefgefrierprozessTiefgefrierprozess

Wasser

Eiskristallbildungbevorzugt an

festen Oberflächenoder Partikeln

in Lebensmitteln

Gehalt an Salzen, gelöster organischer Stoffe hoch

keine Unterkühlung notwendig

Vorhandensein von Kristallisationskeimen

Temperatur, bei der das Gefrieren beginnt

ist abhängig von

Konzentration der gelösten Stoffe im Wasser

Gefrierbeginn bei Temperaturen unter 0°C

Lebensmittel GefrierbeginnRindfleisch -1,1 °CSchweinefleisch -2,0°CKabeljau -1,1°CFettfisch -0,8°CEiklar -0,5°CEigelb -0,7°CNüsse -6,7°CWeißbrot -4,5°CKarotten -1,4°C

Mageres Fleisch enthält bis zu 74% Wasser

gefrieren

Bildung von Eiskristallen an festen Flächen / organische Stoffe

Kristallisationstemperatur = -1,5°C

Kerntemperatur = -10°C→ größte Teil des ausfrierbaren

Wassers gefroren

Unterscheidung der Kristallisationsbedingungen

Langsame Gefriergeschwindigkeiten

Schnelle Gefriergeschwindigkeiten

Konzentration an gelösten Stoffen in den

Zellen höher

Kristallisationsbeginn später

Eiskristallbildung im Bindegewebe

entlang den Muskelfasern

Erhöhung der Konzentration der nicht gefrorenen Restlösung

durch Eisbildung

Anstieg des osmotischen Druckes im extrazellulären Raum

Konzentrationsgefälle

Wasser diffundiert in den extrazellulären Raum und gefriert

Anreicherung an gelösten Stoffe in der Zelle

Kristallisationsbeginn wird abgesenkt

Keine oder geringe Eiskristallbildung

Entstehung großer unregelmäßig geformterEiskristalle im extrazellulären Raum

Zelldeformation

Eisbildung beginnt im extrazellulären Raum

Eisbildung im intrazellulären Raum

schnellere Gleichgewichtseinstellung

Entstehung vieler kleiner, feinkörniger Eiskristalledie über das gesamte Gewebe verteilt sind

Zellen bleiben unzerstört

FazitBildung von grob- oder

feinkörnigenEiskristallgefügen ist vom

Verhältnisder Geschwindigkeit der

Kernbildung zur Kristallwachstumsgeschwindigkeit

abhängig

Eiskristallgröße im Vergleich

Abb. 1: Langsame Gefriergeschwindigkeit Abb. 2: Schnelle Gefriergeschwindigkeit

Tiefgefrieren – mehrstufiger ProzessTiefgefrieren – mehrstufiger Prozess

Vorgefrierstadium Abkühlung des Produktes von der Eindringtemperatur bis auf den Gefrierpunkt

Gefrierstadium Erstarrung des ausfrierbaren Wassers bei nahezu konstanter Temperatur

Absenkung der Produkttemperatur bis auf die vorgesehene Endtemperatur

Anforderungen an die RohwareAnforderungen an die RohwareHoher pH-Wert wünschenswert

hohes Wasserbindevermögengeringer Abtropfverlust

Rasse, Fütterung und Alter des Tieres bestimmen QualitätZeitspanne zwischen Schlachtung und Herstellung soll gering sein

Merke: Qualität des Tiefgefrierproduktes kann niemals besser

sein, als die verwendete Rohware

TiefgefrierverfahrenTiefgefrierverfahren

Differenzierung bei der Konstruktion von Gefrierapparaten nach– der dominierenden Art der Wärmeübertragung– der Art des Kühlmediums– dem Zustand des Gefriergutes– dem Transportmechanismus des Gutes im

Gefrierapparat

KälteanlagenKälteanlagen

notwendig niedrige Temperaturen

erreichtdurch

Verdampfen eines flüssigen Kältemittels

Entzug von

Wärme aus der

Umgebung

erreichtdurch

Verdampfen eines flüssigen Kältemittels

Entzug von

Wärme aus der

Umgebung

notwendig

Kompressoren

Flüssigkeit

Wärmeaustauscher

Flüssigkeit GasKälte durch

Wärmeentzug

KältemittelKältemittel

meist Ammoniak preiswert+wirtschaftlich

hohe Brennbarkeitgiftig

Explosionsgefahr

WärmetauscherWärmetauscher

Rohrbündelwärmeaustauscher

Luftzirkulationsverdampfer

Plattenverdampfer

RohrbündelwärmeaustauscherRohrbündelwärmeaustauscher

Wärmeentzug von flüssigen Wärmeüberträgern

Zirkulation des Kältemittels im Inneren der Rohre

Abb. 3: Rohrbündelwärmeaustauscher

LuftzirkulationsverdampferLuftzirkulationsverdampfer

Wärmeentzug von gasförmigen Wärmeüberträgern

Abb. 4: Luftzirkulationsverdampfer

PlattenverdampferPlattenverdampfer

Einspritzung des Kältemittels in die Hohlräume von Metallplatten

Verfahren und Anlagen für das Verfahren und Anlagen für das TiefgefrierenTiefgefrieren

Kriterien zur Auswahl des Kriterien zur Auswahl des VerfahrensVerfahrens

• Qualitätserhaltung des Produktes• Flexibilität• Geringe Kapitalkosten• Geringe laufende Kosten (Wartung,

Energie, Reparaturen)• Umweltverträglichkeit

Verfahren mit einer SoleVerfahren mit einer Sole

1911Frostung von Fischen in Solebad (-21°C)heutzutage auch in Zuckerlösung oder Gylkol (-30°C)

– Tauchgefrieren– Sprühgefrieren

Produkt

Gitterband und Mitnehmer

Oberband

gefrorenes Produkt

Abb. 5: Sole-Durchlaufanlage

Verfahren mit einer SoleVerfahren mit einer Soleguter Wärmeübergang

wn = 4 cm/h hoch

Energieverbrauch niedriggeringer Platzverbrauchgute Integration in die bestehende LinieMöglichkeit zum Gefrieren von

unregelmäßig geformten Produktenaber aufwendige Reinigung

aufwendige Instandhaltung

Verfahren mit kyrogenen GasenVerfahren mit kyrogenen Gasenbei Normdruck Siedetemperatur von

Stickstoff = -196,7°CFl. Stickstoff Lebensmittel

rascher Wärmeentzug (wn = 12cm/h)

Verfahren mit kyrogenen GasenVerfahren mit kyrogenen Gasenbei Normdruck Siedetemperatur von

Stickstoff = -196,7°CFl. Stickstoff Lebensmittel

rascher Wärmeentzug (wn = 12cm/h)

kleine Eiskristalle

geringe Produktschädigung

Abb. 6: Stickstoff-Tiefgefrier-Anlage

Abb. 7: Stickstoff-Tiefgefrier-Anlage

Abb. 8: Stickstoff-Tiefgefrier-Anlage- Sprühverfahren

Vorteile - NachteileVorteile - Nachteile• kurze Gefrierzeiten• hohe Gefriergeschwindigkeiten

(wn = 12 cm/h)• Gefriervorgang in

keimhemmender und sauerstoffarmer Schutzgasatmosphäre

• kleine Kristallgrößen• Qualitätserhalt des Produktes• geringe Investition für die

Anlage• keine separate Kältemaschine

erforderlich• Gase sind nicht

umweltbelastend• Möglichkeit zum Gefrieren

unregelmäßig geformter Produkte

• hohe Betriebskosten• nur bei kleinen Mengen

lohnenswert

KontaktgefrierenKontaktgefrieren

Wärmeentzug von Produkten durch Kontakt mit kalten Metallflächen

Wärmeübertragung durch Wärmeleitung (Konvektion)

KontaktgefrierenKontaktgefrieren

diskontinuierliche AnlagenPlattenfroster

kontinuierliche AnlagenGefrierbandanlagenWalzenfrosterKratzkühlerRundgefrierer

Abb. 9: Plattenfroster

Abb. 10: Plattenfroster

Abb. 11: automatischer Plattenfroster

Abb. 12: Mehrplattenfroster

Walzen- /TrommelfrosterWalzen- /Trommelfroster

Trommel enthält kalte SoleProdukt gefriert auf der Oberfläche der Trommelnach ¾ Drehung Gefrierprozess beendetProdukt wird abgeschabt

Fischfilet oder Fleischscheiben Leistung = 0,3 – 1t/h

Walzen- /TrommelfrosterWalzen- /Trommelfroster

Abb. 13: Walzenfroster

Vorteile - NachteileVorteile - Nachteile

• guter Wärmeübergang• Gefrierzeiten < 2h• geringer Platzbedarf• zum Teil vollautomatisch

• Vollautomatisierte Anlagen sind nur für quaderförmige Güter mit einer maximalen Dicke von 100 mm verfügbar

Gefrierverfahren in KaltluftGefrierverfahren in Kaltluft

Lufttemperatur = -30 bis -45°CLuft schlechter Wärmeüberträger

hohe LuftgeschwindigkeitLuftgeschwindigkeiten = 0,5 – 5,0 m/s

Gefrierverfahren in KaltluftGefrierverfahren in Kaltluft

Diskontinuierliche GefrieranlagenGefrierkammern mit Hordenwagen

Kontinuierliche GefrieranlagenHordenfrosterSpiralbandfrosterWirbelschichtfrosterPalettenfrosterSchlittenfroster

Kammergefrierverfahren mit LuftKammergefrierverfahren mit Luft

Abb. 14: Kammergefrieranlage

1 Isolierraum2 Wärmetauscher3 Ventilator4 Tür5 Luftführung6 Hordenwagen

Abb. 15: Kammergefrieranlage

niedrige Kapitalkosten

aber: hoher Arbeitsaufwandhoher Energieverbrauchgleichmäßige Luft- und Gefriergeschwindigkeit schwererreichbar

Optimierung mittels Optimierung mittels DurchlauffrosterDurchlauffroster

Tunnelgefrieranlage mit HordenwagenTunnelgefrieranlage mit Hordenwagen

Lebensmittel im Gegenstrom zur bewegten LuftGleichverteilung der Luft durch Leitbleche

Abb. 16: Tunnelgefrieranlage mit Hordenwagen

Tunnelgefrieranlage mit HordenwagenTunnelgefrieranlage mit Hordenwagen

gleichmäßige Verteilung der Luftgeringe Kapitalkostenkomplette Automatisierung

aber: nur für kleine Produkteanfrieren von Panadenachfrosten von Fertiggerichten

FließbettfrosterFließbettfroster

tiefgefrieren von großen MengenFirma Heinen = 15000kg/h

tiefgefrieren von schüttfähigen, kleinstückigen Lebensmitteln

Abb. 17: Fließbettfroster der Firma Heinen

• schnelle Randfrostung• Verhinderung von Feuchtigkeitsverlust• Anordnung der Produkte auf dem Band

bleibt erhalten

SpiralbandfrosterSpiralbandfroster

Abb. 18: Spiralbandfroster der Firma Frigoscania

SpiralbandfrosterSpiralbandfroster

Bandbreiten von 1,2 mregelbare Durchlaufzeit von 10 – 240 minKapazitäten von 0,5 – 10 t/hgeringer Platzbedarf im Verhältnis zur Bandlänge

WirbelschichtfrosterWirbelschichtfrosterFür kleinstückige unverpackte Produkte

Abb. 19: Wirbelschichtfroster

VerpackungenVerpackungen

VerpackungsanforderungenVerpackungsanforderungen

Schutzfunktion Schutz vor Kontamination und Produktveränderung

Umweltfunktion geringe Umweltbelastung

Gebrauchsfunktion einfache und sichere Handhabung

Verkaufsfunktion Übertragung gesetzlich vorgeschriebener Angaben

Lagerfunktion Lagerfähigkeit und Raumeinsparung

Transportfunktion Resistenz gegenüber Transportbelastung

Sicherheitsfunktion Garantie der Unversehrtheit des Produktes

Betriebsfunktion Erfüllung der betriebs-internen Anforderungen

VerpackungsmaterialienVerpackungsmaterialien

Kunststoffbeschichtete Papiere + Kartonagen- Faltschachteln

Kunststofffolien- Schrumpffolie- Kochbeutel- Aluminiumschalen

WeitertransportWeitertransport

• Lastkraftwagen mit einer Nutzlast von 15 – 24t

• Isolieraufbau• Durchschnittliches Ladevolumen = 80m³• Fahrzeugkühlungen

– Kälteaggregate– Flüssigstickstoff-Anlagen

• Endtemperatur von -18°C darf nicht überschritten werden

Lebensmittelrechtliche VorschriftenLebensmittelrechtliche Vorschriften

• Gemäß §2 TLMV:• Verwendung von Lebensmittel mit

einwandfreier Qualität • Als Gefriermittel mit direktem Kontakt:

– Luft– Stickstoff– CO2

• Temperatur muss bis zur Abgabe an den Verbraucher <-18°C sein

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit !!!

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