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Ist das Kühlen des Getränks vor der Abfüllung sinnvoll?

Jeder kennt die Geschichte vom Optimisten, der aus dem 20-ten Stock eines Hochhauses springt und beim 2-ten Stockwerk feststellt, dass weder der Sprung noch der Flug nach unten ihm bis jetzt wirklich geschadet hätten.

Vor etwa 20 Jahren zeigte eine damals neu gegründete Firma ein volumetrisches Füllventil für Dosen, das viel schneller füllen konnte als alle anderen bekannten Füllventile; leider zehrte die verlängerte Druckentlastungszeit den Vorteil der kürzeren Füllzeit vollständig auf.

Um zu einem dauerhaft befriedigenden Ergebnis zu kommen, muss das Gesamtsystem betrachtet werden.

Den Gedanken, die Abfülltemperatur zu senken, mögen einige für absurd halten, da durch eine niedrigere Abfülltemperatur eine Taupunktunterschreitung wahrscheinlicher wird und je nach Art der Verpackung und Lagerung können hierdurch Einrichtungen zur Anhebung der Temperatur der fertigen Packung notwendig sein, um eine Schwitzwasserbildung zu verhindern.

In Kunststofffolie eingeschlagene Wellpappetrays sind in Deutschland eher selten geworden. Bei nicht wiederbefüllbaren Flaschen sind jedoch weiterhin Mehrstückpackungen gebräuchlich, bei denen Schwitzwasser zu erheblichen Problemen führen kann. Einen Anwärmtunnel wird sicherlich niemand installieren, wenn es hierfür keine zwingenden Gründe gibt. Eine Absenkung der Abfülltemperatur zur Erhöhung der Abfüllleistung wird sicherlich nicht ein zwingender Grund sein. In Deutschland wird jedoch der größte Teil der Getränke in Mehrweg-Kunststoffkästen ausgeliefert, die im Hinblick auf Schwitzwasserbildung unproblematischer sind.

In Nordamerika und Ostasien sind Abfülltemperaturen nahe dem Gefrierpunkt keine Seltenheit. Die Kühlung ist hier üblicherweise in den Premixer integriert, der durch die niedrige konstante Temperatur sehr gute Ergebnisse - insbesondere bei hohen CO2-Konzentrationen - erreicht. Viele dieser Abfüllbetriebe würden gerne - primär aus wirtschaftlichen Gründen - die Abfülltemperatur anheben.

Wenn die, die zur Zeit kalt abfüllen zukünftig wärmer abfüllen wollen, warum sollten dann die, die gegenwärtig ungekühlt abfüllen, über eine Kühlung nachdenken?

Die treibende Kraft ist meistens eine Verbesserung der Wirtschaftlichkeit d.h. das Senken der Systemkosten oder aber eine Verbesserung der Qualität, wobei dies heutzutage meist eine gleichmäßigere Qualität bedeutet. Insbesondere beim Anfahren, nach einem längeren Stillstand, nach einer Reinigung oder nach einem Produktwechsel ist es auch heute nicht selbstverständlich, dass alle abgefüllten Flaschen (oder Dosen) einen CO2-Gehalt innerhalb der Toleranzgrenzen aufweisen.

Der Kohlensäuresättigungsdruck ist temperaturabhängig; bei steigender Temperatur steigt auch der CO2-Sättigungsdruck an.

Die Hauptphasen der Abfüllung von karbonisierten Getränken sind: Vorspannen, Füllen und Druckentlasten. Der Vorspanndruck muss sicherstellen, dass während des Füllens möglichst kein gelöstes CO2 aus dem Getränk entweicht. Deshalb wird er oberhalb des CO2-Sättigungsdruckes eingestellt. Die Druck-Differenz zwischen CO2-Sättigungsdruck und Vorspann-Einstelldruck sollte möglichst klein sein, da unnötig hohe Druckdifferenzen die Vorspannzeit, den Verbrauch an Vorspanngas (meist CO2) und die Druckentlastungszeit erhöhen. Fest vorgewählte, rezepturabhängige Vorspanndrücke sind so modern wie zeitrelaisgesteuerte Signalanlagen zur Regelung des Straßenverkehrs. Sie funktionieren scheinbar, aber verlagern die Kosten von der Steuerung auf den Betrieb. Ein dauerhaft um 0,3 bar zu hoch eingestellter Vorspanndruck, kann sich bei einer gut ausgelasteten mittelgroßen Anlage auf einen Mehrverbrauch von 20 t CO2 im Jahr summieren. Bei steuerungsmäßig so ausgeführten Anlagen wird durch eine Absenkung des Vorspanndrucks die Abfüllleistung im Allgemeinen nicht erhöht, da nicht nur der Vorspanndruck sondern auch die Vorspannzeit und die Druckentlastung mit festen Zeiten oder Zeit-Verhältnissen zur Abfüllzeit hinterlegt sind oder sich durch die Position mechanischer Steuerböcke ergeben.

Theoretisch könnte der Vorspanndruck sehr nahe oberhalb des CO2-Sättigungsdruckes eingestellt werden. In der Praxis ist der Vorspanndruck jedoch mindestens 0,3bar höher einzustellen, als der CO2-Sättigungsdruck. Es gibt auch Anlagen, die einen wesentlich höheren Vorspanndruck erfordern, um sicherszustellen, dass sich CO2 auf dem Weg in die Flasche oder Dose nicht entbindet. Die häufigsten Ursachen für zu hohe erforderliche Drücke sind:

• das Getränkeeinlaufventil des Füllers (konstruktive Gestaltung, korrekte Auslegung, korrekte Parametrierung des Reglers, keine Beeinflussung durch andere Regelkreise, u.a.)

• die konstruktive Gestaltung des Füllers (Querschnitte und Querschnittsveränderungen, Umlenkungen, Einbauten u.a.)

• die (bauliche) Ausführung des Füllers (ungünstige Fertigungsverfahren wie rauher Guss, Riefen durch Verwendung von Spiralbohrern zum Setzen von Bohrungen, unzureichende Entgratung, fehlerhafte Montage u.a.)

• Fremdgase (Luft) im Getränk (durch unzureichende Entgasung im Mixer, durch Luftaufnahme über defekte Pumpendichtungen, durch Luftaufnahme während der Abfüllung u.a.)

Diese Punkte sollten geprüft und ggf. modifiziert werden, bevor andere Maßnahmen, wie z.B. eine niedrigere Abfülltemperatur erwogen werden. Wenn z.B. mindestens ein einziges Füllventil besser füllt als die anderen, ist dies ein ausgezeichnetes Zeichen, um mit der Modifizierung der Füllventile zu beginnen, die nicht optimal arbeiten.

Praktisch kann man bei nahezu jeder Abfülltemperatur arbeiten. So füllt ein Betrieb in Südafrika erfolgreich z.B. hochkarbonisiete Getränke bei 27°C mit einem rein mechanischen Füller ab. Die Abfüllleistung erscheint für die Füllerleistung extrem niedrig zu sein, aber der Füller wurde bewusst in dieser Größe angeschafft, um eine genügend lange Druckentlastungszeit realisieren zu können. Abgesehen davon, dass ein großer Füller höhere Investitionskosten verursacht sind auch die Betriebskosten höher, neben der höheren Antriebsleistung sind die Verluste beim Produktwechsel bzw. An- und Abfahren höher, die größere Anzahl der Füllventile bedingt höhere Wartungskosten und die höheren notwendigen Abfülldrücke schädigen auch die Mehrwegflaschen.

Wenn ein japanischer Betrieb, der derzeit mit 2°C abfüllt, von höheren Abfülltemperaturen spricht, ist alles oberhalb von 2°C relativ gesehen höher. Er würde häufig gerne bei Umgebungstemperatur, d.h. bei Getränketemperaturen um 15°C abfüllen, was jedoch mit der vorhandenen maschinellen Ausrüstung meist nicht möglich ist. Eine Verbesserung der Oberflächengüte innerhalb des Füllventils durch elektrolytisches Polieren kann jedoch ebenso eine Verbesserung bewirken, wie eine verbesserte Druckentlastung.

Im deutschen Sommer steigt die Getränketemperatur selten auf über 20°C an. An den meisten Produktionstagen beträgt die Getränketemperatur während der Abfüllung nicht mehr als 16°C. Wenn das System nun auf eine Abfülltemperatur von 16°C justiert wurde, kann bei höheren Abfülltemperaturen meist nur gearbeitet werden, wenn eine erhebliche Leistungseinschränkung akzeptiert wird. Natürlich ist diese Leistungseinschränkung im gesamten Ausmaß in den seltensten Fällen an die Naturgesetze gebunden sondern sie wird meist durch ein von Menschen erdachtes simplifiziertes Schalt- und Steuersystem verursacht. Ein solches System jedoch so zu verändern, das es bei beliebigen, real vorkommenden Abfülltemperaturen ein optimales Ergebnis erzielt, übersteigt in der Regel die Möglichkeiten der Abfüller und offensichtlich auch die der Lieferanten.

Abb.1 Zu hoher Solldruck und zu hoher CO2-Verbrauch durch schwingenden Regler

Als Konsequenz wird man bei höheren Abfülltemperaturen die Parameter mit Ausnahme des Vorspanndrucks unverändert lassen und durch eine Reduzierung der Abfüllgeschwindigkeit die Druckentlastungszeit erhöhen. Die hierdurch ebenfalls direktproportional verlängerten Zeiten für das Vorspannen und Füllen nimmt man notgedrungen in Kauf.

Was würde es bedeuten, wenn man das Getränk z.B. um 4°C herunterkühlen würde? Um 40.000 l/h Limonade um 4°C zu kühlen wird eine thermische Leistung von ca. 180 kW benötigt, unter Berücksichtigung des Wirkungsgrades der Kühlanlage bedeutet dies, dass zur Kühlung von 1.000 l Getränk etwa 1,5 bis 2 kWh elektrischer Energie notwendig sind. Durch den reduzierten Vorspanndruck werden typischerweise mind. 50g CO2 pro Kubikmeter Getränk eingespart. Durch die nicht reduzierte Abfüllleistung steigen die spezifischen Stromverbräuche nicht an. Um die Produktverluste nicht zu erhöhen, kann nur das Getränkewasser (ggf. nach einer Vakuumentgasung, um die Entgasung nicht negativ zu beeinflussen) gekühlt werden.

Aus energiepolitisches Gründen wären die Installation einer NH3-Kühlanlage und einen mit direkter NH3-Verdampfung betriebenen Kühler im Getränkewasserstrom sinnvoll. Unter Berücksichtigung der zu erwartenden Betriebsstunden, wäre jedoch ein Plattenwärmeübertrager im Getränkewasserstrom, der von einem standardisierten Kaltwassersatz bedient wird, die deutlich wirtschaftlichere Lösung.

Zusammenfassung:

Erst nachdem das Optimierungspotenzial der Abfüllanlage analysiert wurde und Optimierungsmaßnahmen nicht nur wirtschaftlich kritisch bewertet wurden sollte man darüber nachdenken die Getränketemperatur während der Abfüllung abzusenken. Eine relativ geringe Temperaturabsenkung kann eine sehr effiziente und auch kostengünstige Maßnahme sein.

 

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