Energie sparen bei der Gefriertrocknung

Die NaProFood GmbH & Co. KG hat sich auf das Trocknen von hochwertigen Lebensmitteln und pharmazeutischen Grundstoffen spezialisiert. Die Gefriertrocknung wird immer dann genutzt, wenn eine besonders schonende Trocknung von Lebensmitteln und verwandten Produkten gewünscht ist. Zunächst wird das zu trocknende Gut in Trays gefüllt und eingefroren. Die freien Wasseranteile liegen dann als Eiskristalle vor. Unter Vakuumbedingungen geht das gefrorene Wasser direkt in den Gaszustand über, wenn man das Produkt wieder leicht erwärmt. Die gebundenen Wasseranteile werden in der Nachtrocknung entfernt, in der die Temperatur des Produkts weiter leicht erhöht und dabei das Vakuum abgesenkt wird. Aroma- und Geschmacksstoffe, Hormone und Immunstoffe bleiben so erhalten, während das im Rohstoff enthaltene Wasser als Dampf ausgeschleppt wird. Ergebnis des Prozesses ist ein trockenes, über lange Zeit haltbares Produkt, das nur noch einen Bruchteil seines Ursprungsgewichtes besitzt.

Zu den Produkten, die NaProFood auf diese Weise trocknet, gehören verschiedene Arten von Sondermilch wie etwa Stutenmilch, die für Kosmetikprodukte verwendet wird, und die sogenannte Biestmilch. Das ist die Milch aus den ersten Melkungen nach einer Kalbung. Sie weist einen hohen Gehalt an Immunstoffen auf und wird von der Pharmaindustrie verarbeitet. Auch Früchte und verschiedene Gemüsearten werden im Kundenauftrag getrocknet. Der Bedarf wächst kontinuierlich. Aus diesem Grund hat das Unternehmen eine neue Betriebsstätte auf der grünen Wiese bezogen und zwei neue Gefriertrocknungsanlagen in Betrieb genommen.

Die Anlagen von NaProFood benötigen Kälte bzw. Wärme in ganz verschiedenen Temperaturbereichen und werden individuell geplant. Im nachfolgend beschriebenen Falle handelt es sich um eine Gemeinschaftsarbeit von NaProFood, SPX Flow Technology GmbH als Hauptauftragnehmer und Spezialist für die Verfahrenstechnik sowie L&R Kältetechnik. Vier Kältekreisläufe mit vier unterschiedlichen Wärmeübertragungsmitteln sind in einen hochkomplexen Gesamtprozess integriert, der auch weitere Energiequellen, z. B. die Kompressorabwärme, einbezieht. Die von L&R Kältetechnik entwickelte und programmierte Steuerungstechnik sorgt für eine sehr präzise Temperaturführung auf allen Temperaturniveaus.

Die beiden Tieftemperaturkälteanlagen mit den Kältemitteln R 507 und R 23 liefern Prozesskälte sowohl für die Kühlschlangen im sogenannten Eiskondensator, in dem das aus dem Prozess ausgeschleppte Wasser kondensiert, als auch für den parallel dazu geschalteten Plattenwärmetauscher des Produktkammerkreislaufs. Im Produktkammerkreislauf zirkuliert ein Thermalöl durch plattenartige Kühl- bzw. Heizelemente, die direkt unter den Trays angeordnet sind, in denen sich das Trocknungsgut befindet. Je nachdem ob dem Prozess während der Trocknung Wärme entzogen oder Wärme zugeführt werden muss, wird das Thermalöl vom Wärmetauscher der Kälteanlage abgekühlt oder von einem zweiten Wärmetauscher erwärmt. Nur so kann man für das Wasser im Produkt den direkten Übergang von der festen in die gasförmige Phase sicherstellen. Der entstehende Wasserdampf wird von der Vakuumpumpe in den Eiskondensator gesaugt und dort zu Eis kondensiert und festgehalten.

In der Tieftemperaturstufe der Anlage ist ein frequenzgeregelter Kompressor installiert, da der Kältebedarf im Verlauf der Trocknung kontinuierlich sinkt. Im letzten Drittel des Trocknungsprozesses wird die Kälteanlage zeitweise sogar ganz abgeschaltet und die Kältepufferkapazität des Eiskondensators ausgenutzt. Das Ab- und Zuschalten der Kälteanlage regelt dann ein in die SPS integrierter Algorithmus, der den Kondensationsbedarf prognostizieren kann. Somit stellt die Anlage immer exakt so viel Kälte bereit, wie gerade benötigt wird. Das spart Energie.

Eine weitere Besonderheit der Thermoprozesstechnik besteht aber darin, dass beide Kälteanlagen mit einer Wärmerückgewinnung verbunden sind. Die in das Kältemittel eingetragene Wärme wird so für die Wärmegewinnung verwendet. Zu diesem Zweck wurden zwei große Speicherbehälter errichtet: ein Mitteltemperaturspeicher für 60 °C warmes Wasser und ein größerer 85-°C-Hochtemperaturspeicher. Die Wärmepumpen, die diese beiden Kreisläufe versorgen, sind mit den Kältemitteln R 134a und R 236fa befüllt. Sie stellen so große Wärmemengen bereit, dass NaProFood im Normalbetrieb mehr als 80 % seines thermischen Prozessenergiebedarfs decken kann. Die Gefriertrockner selbst, die Vakuumtrocknungsanlage, die zentrale Warmwasser- und CIP-Anlage sowie zahlreiche kleinere Verbraucher werden mit der rückgewonnenen Wärme versorgt. Auch die Wärmepumpenverdichter werden über Frequenzumrichter angesteuert, sodass die aktuell anfallende Wärmeleistung energetisch optimal auf das höhere Temperaturniveau gebracht wird.

Die Kälte- bzw. Wärmetechnik stellt somit einen energetisch geschlossenen Kreislauf dar, der Kälte und Wärme im Bereich von -70 bis +85 °C bereitstellt. Dafür sorgen vier separate Anlagen – zwei Kältemaschinen und zwei Wärmepumpen –, die intelligent steuerungstechnisch verbunden sind. Alle Stufen sind mit drehzahlgeregelten Antrieben ausgestattet, um eine optimale Anpassung an die aktuellen Betriebsbedingungen und somit einen geringen Energieverbrauch zu ermöglichen.

Dass das System regelungstechnisch außerordentlich komplex ist, liegt auf der Hand. Die Projektierer von L&R haben umfassendes Know-how in die Gestaltung der Prozesse eingebracht, sodass die vier Thermoprozesse tatsächlich optimal ineinander greifen. Die steuerungstechnische Kompetenz des Unternehmens, das über einen eigenen Schaltschrankbau und eigene Programmierer verfügt, hat letztlich dazu beigetragen, dass in jedem Anlagenzustand zuverlässig die gewünschte Temperierung erreicht wird. Dabei ist auch die nötige Transparenz gewährleistet, denn an der Mensch-Maschine-Schnittstelle werden die Prozesse und der aktuelle Betriebszustand der Anlage anschaulich visualisiert.

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