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Tiefgefrieren und Tiefgefrierverfahren
Tiefgefrieren und Tiefgefrieren und Tiefgefrierverfahren von Tiefgefrierverfahren von tierischen Lebensmittelntierischen Lebensmitteln
Speziell Produkt Technologie Speziell Produkt Technologie
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Tiefgefrieren und Tiefgefrierverfahren
InhaltsübersichtInhaltsübersicht
Geschichte der Kältetechnik Definitionen Tiefgefrierprozess Tiefgefrierverfahren Verpackung Weitertransport Lebensmittelrechtliche Vorschriften
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Tiefgefrieren und Tiefgefrierverfahren
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
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Tiefgefrieren und Tiefgefrierverfahren
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
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Tiefgefrieren und Tiefgefrierverfahren
Pro-kopf-Verbrauch an Tiefkühlkost Pro-kopf-Verbrauch an Tiefkühlkost in Deutschland in kgin Deutschland in kg/a/a
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Tiefgefrieren und Tiefgefrierverfahren
Absatzentwicklung in Deutschland in tAbsatzentwicklung in Deutschland in t
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Tiefgefrieren und Tiefgefrierverfahren
Warum?Warum?
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Tiefgefrieren und Tiefgefrierverfahren
Warum?Warum?
Schonendste Verfahren zur KonservierungVerzögerung von biochemischen ReaktionenEinstellen der MikroorganismenwachstumsLängere Haltbarkeit im Vergleich zu anderen Verfahren
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Tiefgefrieren und Tiefgefrierverfahren
DefinitionenDefinitionen
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KühlenKühlen
Lagerung bei Temperaturen knapp oberhalb von 0°C
chemische Veränderungen verlangsamt
T = 0°C bis +10°C
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GefrierenGefrieren
Lagerung bei Temperaturen unterhalb 0°C
kaum wirtschaftliche Bedeutung
T = 0°C bis -18°C
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TiefgefrierenTiefgefrieren
Synonym: frosten
Herunterkühlen des Lebensmittels auf Temperaturen unter den Gefrierpunkt
Prozess läuft in mehreren Stufen ab
Beendigung, wenn T < -18°C ist
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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
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TemperaturTemperatur
früher: -10°C
Ende der 30er Jahre: Festlegung der einzuhaltenden Temperatur auf 0°F(-17,8°C)
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TiefkühlketteTiefkühlkette
alle Stationen von der Herstellung bis zur Abgabe an den Endverbraucher
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GefrierzeitGefrierzeit
Zeit vom Eindringen des zu gefrierenden Lebensmittel bis zum Erreichen der Endtemperatur
abhängig von Dicke, Form, Wärmeleitfähigkeit des Produktes
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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
hcm
tlwn in
schnell
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Tiefgefrieren und Tiefgefrierverfahren
TiefgefrierprozessTiefgefrierprozess
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TiefgefrierprozessTiefgefrierprozess
Wasser
Eiskristallbildungbevorzugt an
festen Oberflächenoder Partikeln
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in Lebensmitteln
Gehalt an Salzen, gelöster organischer Stoffe hoch
keine Unterkühlung notwendig
Vorhandensein von Kristallisationskeimen
da
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Temperatur, bei der das Gefrieren beginnt
ist abhängig von
Konzentration der gelösten Stoffe im Wasser
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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
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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
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Unterscheidung der Kristallisationsbedingungen
Langsame Gefriergeschwindigkeiten
Schnelle Gefriergeschwindigkeiten
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Konzentration an gelösten Stoffen in den
Zellen höher
Kristallisationsbeginn später
Eiskristallbildung im Bindegewebe
entlang den Muskelfasern
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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
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Anreicherung an gelösten Stoffe in der Zelle
Kristallisationsbeginn wird abgesenkt
Keine oder geringe Eiskristallbildung
Entstehung großer unregelmäßig geformterEiskristalle im extrazellulären Raum
Zelldeformation
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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
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FazitBildung von grob- oder
feinkörnigenEiskristallgefügen ist vom
Verhältnisder Geschwindigkeit der
Kernbildung zur Kristallwachstumsgeschwindigkeit
abhängig
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Eiskristallgröße im Vergleich
Abb. 1: Langsame Gefriergeschwindigkeit Abb. 2: Schnelle Gefriergeschwindigkeit
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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
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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
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TiefgefrierverfahrenTiefgefrierverfahren
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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
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Tiefgefrieren und Tiefgefrierverfahren
KälteanlagenKälteanlagen
notwendig niedrige Temperaturen
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Tiefgefrieren und Tiefgefrierverfahren
KälteanlagenKälteanlagen
notwendig niedrige Temperaturen
erreichtdurch
Verdampfen eines flüssigen Kältemittels
Entzug von
Wärme aus der
Umgebung
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KälteanlagenKälteanlagen
notwendig niedrige Temperaturen
erreichtdurch
Verdampfen eines flüssigen Kältemittels
Entzug von
Wärme aus der
Umgebung
notwendig
Kompressoren
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Gas
Flüssigkeit
Druck
Wärmeaustauscher
Flüssigkeit GasKälte durch
Wärmeentzug
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KältemittelKältemittel
meist Ammoniak preiswert+wirtschaftlich
hohe Brennbarkeitgiftig
Explosionsgefahr
aber
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WärmetauscherWärmetauscher
Rohrbündelwärmeaustauscher
Luftzirkulationsverdampfer
Plattenverdampfer
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RohrbündelwärmeaustauscherRohrbündelwärmeaustauscher
Wärmeentzug von flüssigen Wärmeüberträgern
Zirkulation des Kältemittels im Inneren der Rohre
Abb. 3: Rohrbündelwärmeaustauscher
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LuftzirkulationsverdampferLuftzirkulationsverdampfer
Wärmeentzug von gasförmigen Wärmeüberträgern
Abb. 4: Luftzirkulationsverdampfer
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PlattenverdampferPlattenverdampfer
Einspritzung des Kältemittels in die Hohlräume von Metallplatten
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Verfahren und Anlagen für das Verfahren und Anlagen für das TiefgefrierenTiefgefrieren
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Kriterien zur Auswahl des Kriterien zur Auswahl des VerfahrensVerfahrens
• Qualitätserhaltung des Produktes• Flexibilität• Geringe Kapitalkosten• Geringe laufende Kosten (Wartung,
Energie, Reparaturen)• Umweltverträglichkeit
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Verfahren mit einer SoleVerfahren mit einer Sole
1911Frostung von Fischen in Solebad (-21°C)heutzutage auch in Zuckerlösung oder Gylkol (-30°C)
– Tauchgefrieren– Sprühgefrieren
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Produkt
Sole
Gitterband und Mitnehmer
Oberband
gefrorenes Produkt
Abb. 5: Sole-Durchlaufanlage
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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
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Verfahren mit kyrogenen GasenVerfahren mit kyrogenen Gasenbei Normdruck Siedetemperatur von
Stickstoff = -196,7°CFl. Stickstoff Lebensmittel
rascher Wärmeentzug (wn = 12cm/h)
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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
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Abb. 6: Stickstoff-Tiefgefrier-Anlage
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Abb. 7: Stickstoff-Tiefgefrier-Anlage
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Abb. 8: Stickstoff-Tiefgefrier-Anlage- Sprühverfahren
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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
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KontaktgefrierenKontaktgefrieren
Wärmeentzug von Produkten durch Kontakt mit kalten Metallflächen
Wärmeübertragung durch Wärmeleitung (Konvektion)
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KontaktgefrierenKontaktgefrieren
diskontinuierliche AnlagenPlattenfroster
kontinuierliche AnlagenGefrierbandanlagenWalzenfrosterKratzkühlerRundgefrierer
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Abb. 9: Plattenfroster
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Abb. 10: Plattenfroster
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Abb. 11: automatischer Plattenfroster
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Abb. 12: Mehrplattenfroster
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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
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Walzen- /TrommelfrosterWalzen- /Trommelfroster
Abb. 13: Walzenfroster
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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
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Gefrierverfahren in KaltluftGefrierverfahren in Kaltluft
Lufttemperatur = -30 bis -45°CLuft schlechter Wärmeüberträger
hohe LuftgeschwindigkeitLuftgeschwindigkeiten = 0,5 – 5,0 m/s
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Gefrierverfahren in KaltluftGefrierverfahren in Kaltluft
Diskontinuierliche GefrieranlagenGefrierkammern mit Hordenwagen
Kontinuierliche GefrieranlagenHordenfrosterSpiralbandfrosterWirbelschichtfrosterPalettenfrosterSchlittenfroster
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Kammergefrierverfahren mit LuftKammergefrierverfahren mit Luft
Abb. 14: Kammergefrieranlage
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Kammergefrierverfahren mit LuftKammergefrierverfahren mit Luft
1 Isolierraum2 Wärmetauscher3 Ventilator4 Tür5 Luftführung6 Hordenwagen
Abb. 15: Kammergefrieranlage
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Kammergefrierverfahren mit LuftKammergefrierverfahren mit Luft
niedrige Kapitalkosten
aber: hoher Arbeitsaufwandhoher Energieverbrauchgleichmäßige Luft- und Gefriergeschwindigkeit schwererreichbar
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Optimierung mittels Optimierung mittels DurchlauffrosterDurchlauffroster
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Tunnelgefrieranlage mit HordenwagenTunnelgefrieranlage mit Hordenwagen
Lebensmittel im Gegenstrom zur bewegten LuftGleichverteilung der Luft durch Leitbleche
Abb. 16: Tunnelgefrieranlage mit Hordenwagen
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Tunnelgefrieranlage mit HordenwagenTunnelgefrieranlage mit Hordenwagen
gleichmäßige Verteilung der Luftgeringe Kapitalkostenkomplette Automatisierung
aber: nur für kleine Produkteanfrieren von Panadenachfrosten von Fertiggerichten
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FließbettfrosterFließbettfroster
tiefgefrieren von großen MengenFirma Heinen = 15000kg/h
tiefgefrieren von schüttfähigen, kleinstückigen Lebensmitteln
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FließbettfrosterFließbettfroster
Abb. 17: Fließbettfroster der Firma Heinen
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FließbettfrosterFließbettfroster
• schnelle Randfrostung• Verhinderung von Feuchtigkeitsverlust• Anordnung der Produkte auf dem Band
bleibt erhalten
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SpiralbandfrosterSpiralbandfroster
Abb. 18: Spiralbandfroster der Firma Frigoscania
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SpiralbandfrosterSpiralbandfroster
Bandbreiten von 1,2 mregelbare Durchlaufzeit von 10 – 240 minKapazitäten von 0,5 – 10 t/hgeringer Platzbedarf im Verhältnis zur Bandlänge
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WirbelschichtfrosterWirbelschichtfrosterFür kleinstückige unverpackte Produkte
Abb. 19: Wirbelschichtfroster
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VerpackungenVerpackungen
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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
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VerpackungsmaterialienVerpackungsmaterialien
Kunststoffbeschichtete Papiere + Kartonagen- Faltschachteln
Kunststofffolien- Schrumpffolie- Kochbeutel- Aluminiumschalen
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WeitertransportWeitertransport
• Lastkraftwagen mit einer Nutzlast von 15 – 24t
• Isolieraufbau• Durchschnittliches Ladevolumen = 80m³• Fahrzeugkühlungen
– Kälteaggregate– Flüssigstickstoff-Anlagen
• Endtemperatur von -18°C darf nicht überschritten werden
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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
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Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit !!!